CN113624452A - 一种用于激光板条端面键合面检测的光路对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于激光板条端面键合面检测的光路对准方法，本发明属于激光板条的质量检测领域，具体涉及一种用于激光板条端面键合面检测的光路对准方法。在对激光板条进行光学检测时，保证探测光束以合理的角度入射至关重要，在运用光纤白光干涉测量装置进行激光板条端面键合面检测时，本发明提供完善的光路对准方法，根据旋转控制台得到激光板条斜端面角度，配合光线追迹仿真软件的模拟分析，获取端面键合面检测时的光路入射角粗略值，再通过可视化的红光传输轨迹变化监测和光纤白光干涉测量装置对反射信号的实时检测，分别实现光路粗调和细调，最终达到光路严格对准的状态。

Description

一种用于激光板条端面键合面检测的光路对准方法

技术领域

本发明涉及一种用于激光板条端面键合面检测的光路对准方法，属于激光板条的质量检测领域。

背景技术

自从1969年美国通用公司[Martin W S,Chernoch J P.Multiple internalreflection face-pumped laser:US,US 3633126 A[P].1976.]提出板条激光器结构以后，鉴于其良好的热性能和光学性能，板条状增益介质渐渐取代晶体棒，成为高功率激光器的主流增益介质。键合晶体则是此基础上，提出的复合结构激光板条，通常是将同质未掺杂晶体与掺杂晶体扩散键合，借助未掺杂晶体作为导热和传光介质，提升激光器输出的光束质量，2008年唐晓军等人[CN1012422071A]提出的表层增益板条结构，是目前的主流热点。为保证激光器能够拥有良好的性能，在激光器生产前有必要对激光板条的键合面进行质量检测，尤其是光学检测，这需要根据激光板条的具体结构进行分区域测试。在对激光板条的端面键合面进行光学检测时，因为没有与端面键合面平行的外表面，无法依靠外表面的强反射面进行光路对准；并且不同激光板条的斜端面角度也有所不同，这导致如何准确找到合适的探测光入射角也成为难题。

发明内容

本发明基于光纤白光干涉测量装置的反射式键合面测量技术，针对激光板条的端面键合面测量具体需求，解决探测光入射角难以准确获取的问题，旨在提供完善的光路对准方法，为激光板条端面键合面的准确检测提供保障。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一，依靠光纤白光干涉测量装置中激光板条的把持控制结构，控制光纤探头出射光垂直照射在激光板条钝角面上，且出射光光斑靠近斜端面，旋转激光板条至出射光垂直照射在激光板条斜端面上，通过旋转角得到激光板条斜端面的角度；

步骤二，根据步骤一得到的角度，在光线追迹仿真软件中非序列模式下建立激光板条模型，并设定光源在软件中旋转激光板条，直至光路对准，得到激光板条的旋转角度；

步骤三，在激光板条钝角面上贴附强散光的白胶带，重新固定激光板条在把持控制结构上，旋转至步骤二对应角度；

步骤四，光纤探头出射红光，通过把持控制结构移动激光板条，使探头出射光光斑靠近钝角边缘，旋转激光板条，白胶带上呈现由离散红光斑变为连续红线为止，实现光路粗对准；

步骤五，关闭红光光源，利用光纤白光干涉测量装置的宽谱白光进行端面键合面的弱反射信号测量，微旋转激光板条直至键合面反射信号最高，实现光路对准。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.步骤一中：激光板条的把持控制结构是正交二维位移台和旋转控制台组成的三维度机械控制结构，光纤探头固定不动，通过把持控制结构可以控制激光板条与光纤探头的相对位置，保证激光板条旋转或平移；激光板条为通用的梯形或平行四边形板条状键合晶体，斜端面倾斜角度是互补的两个钝角和锐角，钝角面和锐角面是两个平行的表面，且激光板条的端面键合面垂直于钝角面或锐角面，通过光纤探头两次对准，可以测量出钝角或锐角的角度。

2.步骤二中：在光线追迹仿真软件中非序列模式下建立激光板条模型，激光板条材料设置为玻璃SF57HT，其折射率与激光板条接近；激光板条模型的斜端面倾斜角度是由步骤一获取，激光板条模型的尺寸大小可以任意设定，不影响光路对准；构建出射光源之后，旋转激光板条模型，直至光路对准，即为光源出射经锐角面射入晶体，在斜端面上全反射，并沿着平行于锐角面或钝角面的方向传播。

3.步骤三中：按照步骤二角度调整激光板条后，鉴于机械误差和光学误差的影响，光路还需要进一步对准，通过红光的传输轨迹进行人眼粗调，在激光板条钝角面上贴附强散光的白胶带便于红光传输轨迹的观测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了激光板条端面键合面检测时光路难以对准的问题，给出了系统化的光路对准流程，可以有效避免后续测量过程中的光学误差。通过旋转控制台借助光学非接触方法获取激光板条斜端面角度，并以光线追迹仿真软件模拟为辅，避免激光板条表面污染或损伤，便于应用到任何未知角度斜端面的测试，拓宽该方法的适用范围。利用可视红光与光纤白光干涉测量装置近红外光相结合，完成粗对准和细对准，有效提高操作效率。

附图说明

图1是光纤白光干涉测量装置示意图；

图2是激光板条结构示意图；

图3a-b是斜端面与锐角面夹角获取过程示意图；

图4是光线追迹仿真软件(Zemax)中构建的三维模型布局图；

图5a-b是粗对准过程红光传输轨迹变化趋势示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明涉及的光纤白光干涉测量装置是源自于低相干光理论，利用宽谱白光的低相干特性，可以实现准静态参数的绝对测量，具有灵敏度高，动态范围大，空间分辨率强等优势。基于以上特点，光纤白光干涉测量装置是最具有潜力的激光板条键合面测量装置，借助光纤探头的反射式测量，最小可探测反射率为～10^-8的键合面弱反射，且可实现高分辨的空间定位。在进行激光板条键合面测试之前，需要通过激光板条的把持控制结构，保证激光板条待测面与光纤探头严格对准，才能实现待测面反射光全部返回光纤探头，这是减小测量误差的前提保障。

光纤白光干涉测量装置通过光纤探头实现光纤光路和空间光路的衔接，最常用的就是光纤探头固定，移动待测物的位置或角度实现各种测试需求。如图1所示，光纤白光干涉测量装置由待测激光板条1、旋转控制台2、X方向位移台3、Y方向升降位移台4、光纤探头5、光纤干涉仪解调模块6、软件驱动模块7、光纤耦合器8、光开关9、红光源10组成，激光板条被夹持固定于旋转控制台2上，且旋转控制台2、X方向位移台3、Y方向升降位移台4即为激光板条的把持控制结构，分别通过电路受软件驱动模块7控制，用以实现激光板条在二维正交面(XY面)内的移动和旋转。光纤探头5、光纤干涉仪解调模块6、光纤耦合器8、光开关9、红光源10之间通过单模光纤连接。

激光板条通常是由几块晶体键合而成的梯形板条状结构或平行四边形板条状结构，如图2所示，是由两块长方体和两块梯形体构成，其中梯形体与两块长方体连接处即为激光板条的端面键合面14，属于激光板条的内部弱反射面，端面键合面的检测是激光板条质量评估的重中之重。此外为便于后续阐述，定义端面键合面测试过程中涉及到的其他表面分别为锐角面11、钝角面12和斜端面13，且锐角面与钝角面平行，斜端面与锐角面或钝角面夹角为未知量，需经测量获取。

常规的接触式角度测量方法，容易造成激光板条表面的划伤或破坏，带来不可挽回的损失，依靠光学方法的检测可以实现非接触高精度的角度测量，借助光纤白光干涉测量装置的旋转台可以有效实现角度测量。如图3a-b所示，首先调整激光板条1使得钝角面与光纤探头对准，达到如图3a的状态，该过程属于强反射表面的光路对准，且探测光不经过其他任何反射面，可以通过红光粗对准，再利用光纤干涉仪解调模块的探测实现完全对准；然后再调整激光板条1使得斜端面与光纤探头对准，达到如图3b的状态，从a至b状态旋转台的旋转角度β，即为斜端面与锐角面的夹角β。

光线追迹仿真软件Zemax中非序列模式可以模拟光线通过各类不规则光器件后的透射和反射轨迹，同时也可以通过探测器检测任意位置处光强大小，并且可以利用软件中x、y或z方向的倾斜模拟本发明中涉及到的激光板条旋转问题。如图4所示为光线追迹仿真软件Zemax中构建的三维模型布局图，在软件的非序列元件编辑器中设定高斯光源、光纤探头5、激光板条1端面的梯形体、激光板条端面键合面14和探测器。具体设置为：激光板条材料选为SCHOTT材料库中的SF57HT玻璃，高斯光源和探测器均位于光纤探头5内部，光线出射经过激光板条锐角面进入激光板条，在激光板条的斜端面全反射，射向端面键合面14，且端面键合面为反射镜面，光线原路返回，被探测器接收。在软件中调整激光板条的倾斜角度，直至探测器接收的光功率最大，得到倾斜角度θ。因为实际激光板条的把持控制结构存在一定的机械误差，以及激光板条折射率与SF57HT玻璃折射率的偏差，会导致软件中得到的倾斜角度有一定的误差，因此还需要进一步光路对准。进一步利用红光对准时，可以巧妙地利用红光在激光板条表面的散光情况作为判断依据，进行旋转角度的调整，如图5a-b所示，令光纤探头出射光恰好照射在激光板条的斜端面与钝角面交界处，当光路未能对准时，光线传输轨迹如图5a所示，可在激光板条钝角面上看到离散红光斑，旋转激光板条直至钝角面上可以看到连续的红光线即可实现粗对准，如图5b所示。

一种用于激光板条端面键合面检测的光路对准方法，其特征在于依次包括如下步骤：

步骤一，光开关9断开，光纤干涉仪解调模块6中的近红外宽谱白光打开，经过光纤探头5出射，照射在激光板条钝角面12上，且出射光光斑位置靠近斜端面13，依靠激光板条的把持控制结构，控制激光板条钝角面与光纤探头严格对准，达到如图3a所示状态，然后通过旋转台2旋转激光板条，直至激光板条斜端面与光纤探头严格对准，达到如图3b所示状态，得到激光板条斜端面的角度β。

步骤二，根据步骤一得到的角度β，在光线追迹仿真软件Zemax中非序列模式下建立激光板条模型，同时设定高斯光源、端面键合面处的反射面以及探测器，激光板条材料可以设置为玻璃SF57HT，其折射率与激光板条接近。激光板条模型的斜端面倾斜角度是由步骤一获取，激光板条模型的尺寸大小可以任意设定，不影响光路对准。旋转激光板条模型，直至光路对准，此时旋转角为θ，达到如图4所示状态，即为光源出射经锐角面射入晶体，在斜端面上全反射，并沿着平行于锐角面或钝角面的方向传播，经过端面键合面处的反射面反射，原路返回至探测器。

步骤三，将激光板条从把持控制结构上取下，在激光板条钝角面上贴附强散光的白胶带，便于后续对准时观测到红光光路轨迹。重新固定激光板条在把持控制结构上，固定方向与步骤一中方向相反，即激光板条锐角面靠近光纤探头，然后旋转激光板条至步骤二对应角度θ。

步骤四，光开关闭合，光纤探头出射红光，通过把持控制结构中Y方向升降位移台4移动激光板条，使得探头出射光光斑靠近钝角边缘，利用旋转台旋转激光板条，白胶带上呈现由离散红光斑变为连续红线为止，达到如图5a-b所示状态，实现光路粗对准。

步骤五，光开关断开，避免红光对光纤干涉仪解调模块造成影响，利用光纤白光干涉测量装置的宽谱白光进行键合面的弱反射信号测量，通过旋转台微旋转激光板条直至端面键合面反射信号最高，完成光路的细调，即实现光路对准。

综上，本发明属于激光板条的质量检测领域，具体涉及一种用于激光板条端面键合面检测的光路对准方法。在对激光板条进行光学检测时，保证探测光束以合理的角度入射至关重要，在运用光纤白光干涉测量装置进行激光板条端面键合面检测时，本发明提供完善的光路对准方法，根据旋转控制台得到激光板条斜端面角度，配合光线追迹仿真软件的模拟分析，获取端面键合面检测时的光路入射角粗略值，再通过可视化的红光传输轨迹变化监测和光纤白光干涉测量装置对反射信号的实时检测，分别实现光路粗调和细调，最终达到光路严格对准的状态。

Claims (4)

1.一种用于激光板条端面键合面检测的光路对准方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一，依靠光纤白光干涉测量装置中激光板条的把持控制结构，控制光纤探头出射光垂直照射在激光板条钝角面上，且出射光光斑靠近斜端面，旋转激光板条至出射光垂直照射在激光板条斜端面上，通过旋转角得到激光板条斜端面的角度；

步骤二，根据步骤一得到的角度，在光线追迹仿真软件中非序列模式下建立激光板条模型，并设定光源在软件中旋转激光板条，直至光路对准，得到激光板条的旋转角度；

步骤三，在激光板条钝角面上贴附强散光的白胶带，重新固定激光板条在把持控制结构上，旋转至步骤二对应角度；

步骤四，光纤探头出射红光，通过把持控制结构移动激光板条，使探头出射光光斑靠近钝角边缘，旋转激光板条，白胶带上呈现由离散红光斑变为连续红线为止，实现光路粗对准；

步骤五，关闭红光光源，利用光纤白光干涉测量装置的宽谱白光进行端面键合面的弱反射信号测量，微旋转激光板条直至键合面反射信号最高，实现光路对准。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光板条端面键合面检测的光路对准方法，其特征在于：步骤一中：激光板条的把持控制结构是正交二维位移台和旋转控制台组成的三维度机械控制结构，光纤探头固定不动，通过把持控制结构可以控制激光板条与光纤探头的相对位置，保证激光板条旋转或平移；激光板条为通用的梯形或平行四边形板条状键合晶体，斜端面倾斜角度是互补的两个钝角和锐角，钝角面和锐角面是两个平行的表面，且激光板条的端面键合面垂直于钝角面或锐角面，通过光纤探头两次对准，可以测量出钝角或锐角的角度。

3.根据权利要求2所述的一种用于激光板条端面键合面检测的光路对准方法，其特征在于：步骤二中：在光线追迹仿真软件中非序列模式下建立激光板条模型，激光板条材料设置为玻璃SF57HT，其折射率与激光板条接近；激光板条模型的斜端面倾斜角度是由步骤一获取，激光板条模型的尺寸大小可以任意设定，不影响光路对准；构建出射光源之后，旋转激光板条模型，直至光路对准，即为光源出射经锐角面射入晶体，在斜端面上全反射，并沿着平行于锐角面或钝角面的方向传播。

4.根据权利要求3所述的一种用于激光板条端面键合面检测的光路对准方法，其特征在于：步骤三中：按照步骤二角度调整激光板条后，鉴于机械误差和光学误差的影响，光路还需要进一步对准，通过红光的传输轨迹进行人眼粗调，在激光板条钝角面上贴附强散光的白胶带便于红光传输轨迹的观测。

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