CN115685569A - 实现束腰位置稳定的半导体激光准直器 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，包括：激光二极管及准直透镜；激光二极管安装在底座中，准直透镜安装在第一套管内部，第一套管与底座之间通过第二套管相接，第二套管套接于第一套管的外部；第一套管与第二套管的热膨胀方向相反，且所述第一套管与所述第二套管在同一温度下具有相同的热膨胀量；所述第一套管的初始长度值等于所述第二套管的热膨胀有效长度与成像间距之间的差值，所述成像间距为所述激光二极管的发光点与所述准直透镜之间的距离。在环境温度变化时，使得第一套管和第二套管膨胀导致的二者间距变化抵消，让准直透镜和激光二极管发光点间的间距保持不变，实现了激光器束腰位置的稳定。
Description
技术领域
本申请涉及半导体激光准直器技术领域，尤其涉及一种实现束腰位置稳定的半导体激光准直器。
背景技术
自由空间结构的半导体激光准直器工作在无温度控制或温度控制设计不便，温控能力较差的环境时，如果外界环境温度波动，会引起半导体激光准直器准直光斑的光斑参数变化，显著影响输出光束的束腰位置，导致成像效果变差。
发明内容
为了解决外界环境温度波动会引起半导体激光准直器准直光斑的光斑参数变化，显著影响输出光束的束腰位置，导致成像效果变差的技术问题，本申请通过以下实施例公开了一种实现束腰位置稳定的半导体激光准直器。
本申请第一方面公开了一种实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，包括：激光二极管及准直透镜；
所述激光二极管安装在底座中，所述准直透镜安装在第一套管内部，所述第一套管与所述底座之间通过第二套管相接，其中所述第二套管套接于所述第一套管的外部；
所述第一套管与所述第二套管的热膨胀方向相反，且所述第一套管与所述第二套管在同一温度下具有相同的热膨胀量；
所述第一套管的初始长度值等于所述第二套管的热膨胀有效长度与成像间距之间的差值，所述成像间距为所述激光二极管的发光点与所述准直透镜之间的距离。
可选的，所述第一套管的热膨胀有效长度与线性热膨胀系数之间的乘积，等于所述第二套管的热膨胀有效长度与线性热膨胀系数之间的乘积。
可选的，所述第一套管的线性热膨胀系数大于所述第二套管的线性热膨胀系数；且所述第一套管的线性热膨胀系数与所述第二套管的线性热膨胀系数之间的差值越大，则所述第一套管所需的热膨胀有效长度越短。
可选的，所述第一套管的线性热膨胀系数与所述第二套管的线性热膨胀系数之间的比值大于2时，则所述第一套管所需的热膨胀有效长度短于所述成像间距。
可选的，所述第一套管的线性热膨胀系数与所述第二套管的线性热膨胀系数之间的比值位于(1.2，1.5)之间。
可选的，所述第一套管为铝合金套管，且线性热膨胀系数为23.6x10-6mm/mm﹒℃；
所述第二套管为铜合金套管，且线性热膨胀系数为18.0x10-6mm/mm﹒℃。
可选的，所述成像间距的取值范围为0.5mm-5mm。
可选的，所述激光二极管过盈配合压入的方式固定在所述底座中。
可选的，所述准直透镜通过粘接固定在所述第一套管的内部。
可选的，所述第一套管与所述第二套管之间通过焊接的方式固定连接。
本申请实施例公开了一种实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，包括：激光二极管及准直透镜；所述激光二极管安装在底座中，所述准直透镜安装在第一套管内部，所述第一套管与所述底座之间通过第二套管相接，其中所述第二套管套接于所述第一套管的外部；所述第一套管与所述第二套管的热膨胀方向相反，且所述第一套管与所述第二套管在同一温度下具有相同的热膨胀量；所述第一套管的初始长度值等于所述第二套管的热膨胀有效长度与成像间距之间的差值，所述成像间距为所述激光二极管的发光点与所述准直透镜之间的距离。在环境温度变化时，使得第一套管和第二套管膨胀导致的二者间距变化抵消，让准直透镜和激光二极管发光点间的间距保持不变，实现了激光器束腰位置的稳定。
附图说明
图1为本申请实施例公开的一种实现束腰位置稳定的半导体激光准直器的剖面结构示意图；
图2为本申请实施例公开的一种实现束腰位置稳定的半导体激光准直器的立体结构示意图。
具体实施方式
为了解决外界环境温度波动会引起半导体激光准直器准直光斑的光斑参数变化，显著影响输出光束的束腰位置，导致成像效果变差的技术问题，本申请通过以下实施例公开了一种实现束腰位置稳定的半导体激光准直器。
本申请第一实施例公开了一种实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，参见图1及图2，包括：激光二极管10及准直透镜20。所述激光二极管10与所述准直透镜20沿光路依次设置，所述激光二极管为低功率可见光半导体激光准直器，做为作为照明光源；所述准直透镜用于减小激光发散角。
所述激光二极管10安装在底座101中，所述准直透镜20安装在第一套管201内部，所述第一套管201与所述底座101之间通过第二套管30相接，其中所述第二套管30套接于所述第一套管201的外部。
一种实现方式中，底座101为金属热沉，激光二极管10固定在金属热沉中，准直透镜20固定在第一套管201内部，作为准直透镜组件，然后通过第二套管30连接金属热沉和准直透镜组件。
激光二极管(LD)通过过盈配合压入，或者粘接，或者压圈顶压等方式固定在底座中；准直透镜通过粘接固定在第一套管中；第一套管与准直透镜固定后，利用自动或手动光学耦合方式，通过第二套管过渡与底座连接起来(连接方式包括焊接，粘接等)。
所述第一套管201与所述第二套管30的热膨胀方向相反，且所述第一套管201与所述第二套管30在同一温度下具有相同的热膨胀量。目的是在环境温度变化时，让准直透镜和LD发光点间的间距保持不变，因第一套管的膨胀量和第二套管的膨胀量相等，膨胀方向相反，膨胀导致的二者间距变化抵消，实现了激光器束腰位置的稳定。
所述第一套管201的初始长度值等于所述第二套管30的热膨胀有效长度与成像间距之间的差值，所述成像间距为所述激光二极管10的发光点A与所述准直透镜20之间的距离。
进一步的，所述第一套管201的热膨胀有效长度与线性热膨胀系数之间的乘积，等于所述第二套管30的热膨胀有效长度与线性热膨胀系数之间的乘积。
作为示例，可通过以下公式表示：
L1*CTE1＝(L2+L3)*CTE2；
结合图1，L1为第一套管的膨胀有效长度，L3为准直透镜和LD发光点间距，(L2+L3)为第二套管的膨胀有效长度，CTE1为第一套管的线性热膨胀系数，CTE2为第二套管的线性热膨胀系数。
在初始装配时，L1与L2的长度相等，可以得到：L1*CTE1＝(L1+L3)*CTE2，通过变换，可以得到：CTE1/CTE2＝(L1+L3)/L1，因此，CTE1和CTE2相差越大，则L1所需的长度越短。
由此可以确定，所述第一套管201的线性热膨胀系数大于所述第二套管30的线性热膨胀系数；且所述第一套管201的线性热膨胀系数与所述第二套管30的线性热膨胀系数之间的差值越大，则所述第一套管201所需的热膨胀有效长度越短。
另外，根据L1*CTE1＝(L1+L3)*CTE2这一公式，通过变换，还可以得到：L1＝L3/((CTE1/CTE2)-1)。
由此可以确定，当CTE1/CTE2>2.0时，L1长度短于L3，即，所述第一套管201的线性热膨胀系数与所述第二套管30的线性热膨胀系数之间的比值大于2时，则所述第一套管201所需的热膨胀有效长度短于所述成像间距。
在一种实现方式中，一般该类型激光器所选透镜焦距较短，基于经验和实际测试，较优的材料线性热膨胀系数比值：1.2<CTE1/CTE2<1.5，即，所述第一套管201的线性热膨胀系数与所述第二套管30的线性热膨胀系数之间的比值位于(1.2，1.5)之间。
在一种实现方式中，所述第一套管201为铝合金套管，且线性热膨胀系数为23.6x10-6mm/mm﹒℃。所述第二套管30为铜合金套管，且线性热膨胀系数为18.0x10-6mm/mm﹒℃。
进一步的，所述成像间距为1.5mm，所述第一套管201的热膨胀有效长度为4.82mm。
作为示例，第一套管选取6061铝合金(Aluminum 6061)，CTE＝23.6x10-6mm/mm﹒℃，第二套管选取C93200铜合金(Copper Alloy C93200(bearing bronze))，CTE18.0x10-6mm/mm﹒℃。
所述成像间距的取值范围为0.5mm-5mm，作为示例，如果成像间距L3取值为1.5mm，那么代入公式：L1＝L3/((CTE1/CTE2)-1)，可以得到：L1＝4.82mm，如此可以较好的满足工艺装配要求。
在另一种示例中，第一套管可以采用410不锈钢套筒，第二套管可以采用可伐材料套筒，410不锈钢的线性热膨胀系数9.9x10-6mm/mm﹒℃，可伐材料的线性热膨胀系数5.0x10-6mm/mm﹒℃，设计410不锈钢准直透镜套筒和可伐材料过渡套筒长度，使其有效长度之比为9.9:5.0。过渡套筒和准直透镜套筒用激光焊接方法连接固定，当环境温度上升时，过渡套筒和准直透镜套筒相对其连接点位置处，向相反方向膨胀，因长度满足9.9:5.0，膨胀伸长量相同，因膨胀方向相反，透镜位置相对激光二极管位置保持不变，环境温度下降则反之。
本申请实施例公开了一种实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，包括：激光二极管及准直透镜；所述激光二极管安装在底座中，所述准直透镜安装在第一套管内部，所述第一套管与所述底座之间通过第二套管相接，其中所述第二套管套接于所述第一套管的外部；所述第一套管与所述第二套管的热膨胀方向相反，且所述第一套管与所述第二套管在同一温度下具有相同的热膨胀量；所述第一套管的初始长度值等于所述第二套管的热膨胀有效长度与成像间距之间的差值，所述成像间距为所述激光二极管的发光点与所述准直透镜之间的距离。在环境温度变化时，使得第一套管和第二套管膨胀导致的二者间距变化抵消，让准直透镜和激光二极管发光点间的间距保持不变，实现了激光器束腰位置的稳定。
本实施例公开的实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，能够改善激光照明光源成像质量，其结构简单紧凑，光斑质量稳定，主要在于利用两种膨胀系数有差异的材料，连接半导体激光二极管和准直透镜，设计并控制两种材料的长度比例，实现大温度波动范围内的准直激光光束的束腰稳定性，显著提高了成像质量。通过设计并控制两种材料的长度比例，结构固定上使两种材料随温度变化的膨胀方向相反，从而达到所固定透镜相对位置基本不变的目的。两种材料使用激光焊接工艺连接固定，进一步降低胶水固定带来的膨胀变化。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，其特征在于，包括：激光二极管及准直透镜；
所述激光二极管安装在底座中，所述准直透镜安装在第一套管内部，所述第一套管与所述底座之间通过第二套管相接，其中所述第二套管套接于所述第一套管的外部；
所述第一套管与所述第二套管的热膨胀方向相反，且所述第一套管与所述第二套管在同一温度下具有相同的热膨胀量；
所述第一套管的初始长度值等于所述第二套管的热膨胀有效长度与成像间距之间的差值，所述成像间距为所述激光二极管的发光点与所述准直透镜之间的距离。
2.根据权利要求1所述的实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，其特征在于，所述第一套管的热膨胀有效长度与线性热膨胀系数之间的乘积，等于所述第二套管的热膨胀有效长度与线性热膨胀系数之间的乘积。
3.根据权利要求1所述的实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，其特征在于，所述第一套管的线性热膨胀系数大于所述第二套管的线性热膨胀系数；且所述第一套管的线性热膨胀系数与所述第二套管的线性热膨胀系数之间的差值越大，则所述第一套管所需的热膨胀有效长度越短。
4.根据权利要求3所述的实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，其特征在于，所述第一套管的线性热膨胀系数与所述第二套管的线性热膨胀系数之间的比值大于2时，则所述第一套管所需的热膨胀有效长度短于所述成像间距。
5.根据权利要求1或3所述的实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，其特征在于，所述第一套管的线性热膨胀系数与所述第二套管的线性热膨胀系数之间的比值位于(1.2，1.5)之间。
6.根据权利要求1所述的实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，其特征在于，所述第一套管为铝合金套管，且线性热膨胀系数为23.6x10-6mm/mm﹒℃；
所述第二套管为铜合金套管，且线性热膨胀系数为18.0x10-6mm/mm﹒℃。
7.根据权利要求1所述的实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，其特征在于，所述成像间距的取值范围为0.5mm-5mm。
8.根据权利要求1所述的实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，其特征在于，所述激光二极管过盈配合压入的方式固定在所述底座中。
9.根据权利要求1所述的实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，其特征在于，所述准直透镜通过粘接固定在所述第一套管的内部。
10.根据权利要求1所述的实现束腰位置稳定的半导体激光准直器，其特征在于，所述第一套管与所述第二套管之间通过焊接的方式固定连接。
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| CN116184572A (zh) * | 2023-04-26 | 2023-05-30 | 武汉锐科光纤激光技术股份有限公司 | 准直器块、准直组件及激光器 |
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