專利名稱：一種半導體激光器準直透鏡制作裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種準直透鏡制作裝置，特別涉及能夠改變準直透鏡的面
鏡制作裝置。
背景技術：
半導體激光器作為一種小型高可靠性的光源，具有體積小、重量輕、 壽命長、功耗低、可直接調制等優點，因此廣泛應用在光通訊、光存儲、 激光加工、激光手術等領域。
但是，半導體激光器由于其特殊的有源區波導結構，其出射光束在平
行于結平面的發散角在10° -20°范圍，而垂直于結平面的發散角在30° -60°范圍，因此，其發出的激光波面不是平面波，也不是球面波，而是像 散橢圓高斯光束，其出射光束的截面是橢圓。這就給半導體激光器的準直 帶來了困難，必須分別對兩個方向上的光束進行準直。
目前常見的半導體激光器準直方法主要有球面單透鏡法、組合球面透 鏡法、組合柱面透鏡法等等。球面單透鏡法是采用單個球面透鏡對半導體 激光器出射光束進行準直，由于只有單個透鏡，使準直系統體積小、重量 輕、裝調方便，且反射面較少，光束能量利用率較高；但是球面單透鏡無 法實現對兩個方向上光束的同時準直，因此得到的光束仍然是橢圓形，準 直效果差。組合球面透鏡法是采用兩片或兩片以上的球面透鏡，每片或每 組透鏡分別對垂直于結(快軸)方向和平行于結(慢軸)方向的光束進行 準直；這種方法可以實現對兩方向光束的同時準直，能得到圓形截面的出 射光束。組合柱面透鏡法的原理與組合球面透鏡法類似，柱面透鏡1和柱 面透鏡2正交放置，利用柱面透鏡1準直快軸方向光束，柱面透鏡2準直 慢軸方向光束，由于柱面鏡或光楔類元件在一個方向的放大率為1,而另一 個方向的放大率具有增大或減小的效果，因此與球面組合透鏡法相比，裝調較為方便，能得到較好的光束準直效果。例如中國專利公開號CN1553243,
公開日2004年12月08日，名稱為"采用微透鏡陣列對實現大功率半導體 激光束準直的方法，，的專利，該發明涉及一種采用微透鏡陣列對實現大功 率半導體激光束準直的方法，正交連續微透鏡中的兩柱面微透鏡分別對垂 直結方向(快軸方向)和平行結方向(慢軸方向)的光束進行準直。快軸方向 采用單一柱面鏡實現準直；慢軸方向采用多個柱面透鏡排列起來形成線陣， 每一個微透鏡和一個發光區——對應，分別對每一個發光區的光束進行準 直。該發明實現了對大功率半導激光器光束的準直和消像散，從而得到能 量集中，發散角小，準直度高的激光光束。該發明所涉及的半導體激光器 準直方法就屬于組合柱面透4竟法。
該方法的不足之處在于采用多片透鏡組合的方式，體積較大，重量 較重，成本較高，多片透鏡的安裝調試困難，且光束能量在光學面上的反 射及光學元件對能量的吸收隨著透鏡數量的增多而增大，因此能量利用率 較低。而且，在實際生產中，每個半導體激光器產品的發散角參數不可能 完全一樣，總是存在誤差，因此用同一參數的準直系統不能最好地實現對 每個半導體激光器的準直，不能為每個半導體激光器量身定做準直系統。
發明內容
為了解決現有半導體激光器準直透鏡或透鏡組體積大、成本高、裝調 困難、能量利用率不高等問題，本發明提供一種工藝簡單、體積小、制造 成本低、免裝調，能量利用率高，且能為每個半導體激光器量身定做準直 透鏡的一種半導體激光器準直透鏡制作裝置。
實現上述目的的結構設計方案是這樣的
一種半導體激光器準直透鏡制作裝置包括主框架、二維微調臺1、環形 紫外光源2、電極6、注射器14、光斑檢測攝像機8和面形檢測光路；
所述主框架由底部的方形底板16,左部的左側板9，后部的后側板IO 組成，左側板9下部設有反光鏡孔；主框架中部設有二維微調臺1， 二維微 調臺1上設有環形紫外光源2， 二維微調臺1中部設有半導體激光器3,半 導體激光器3位于環形紫外光源2中央，半導體激光器3的出光窗口位于頂面，準直透鏡4位于半導體激光器3的出光窗口；
所述環形紫外光源2環壁下部均布設有兩個以上的門形缺口，環壁內 側面均布設有三個以上紫外發光二極管；左側板9的反光鏡孔位于環形紫 外光源2環壁下部左側的門形缺口處，
所述二維微調臺l右部設有白光光源l5，白光光源15位于環形紫外光 源2環壁下部右側的門形缺口處，與白光光源15對應在左側板9的反光鏡 孔外側設有反光鏡5，反光鏡5的上方設有鏡頭17,鏡頭17連接著面形檢 測攝像機18,面形檢測攝像機18安裝在左側板9外側上部；
所述面形檢測光路由所述的白光光源15、反光鏡5、鏡頭17和面形檢 測攝像機18組成，且白光光源15、反光鏡5、鏡頭17和面形檢測攝像機 18的光軸位于同一個垂直面內；
所述左側板9內側壁上部設有左側板電動平移臺7,左側板電動平移臺 7上設有光斑4全測攝像機8;所述后側板10前側壁上部設有后側板電動平 移臺11，后側板電動平移臺11上通過支架12設有可左右轉動的電動轉臺 13,電動轉臺13位于二維孩B周臺1的上方，電動轉臺13上設有電極6和 注射器14，且電極6和注射器14垂直位于二維微調臺l上方，電極6位于 光斑檢測攝像機8的下方；所述電極6呈圓柱筒形，電極6的軸向中心線 到電動轉臺13轉動中心線的距離和注射器14軸向中心線到電動轉臺13轉 動中心線的距離相等；且所述的半導體激光器3、電極6、光斑檢測攝像機 8三者的軸向中心線重合。
所述電極6由上部的絕緣塑料圓筒和圓筒底部的導電玻璃粘合而成， 導電玻璃為橢圓形，且長軸方向與半導體激光器3的慢軸方向一致，導電 玻璃的上表面設有氧化銦錫鍍層；電極6接0-5500V電壓。
所述準直透鏡4材料為經紫外光照射能固化的光敏膠。
所述環形紫外光源2的環壁內側均布設有3-8個紫外發光二極管，發 光波長365nm。
所述二維微調臺1在水平面兩個方向每個方向的移動分辨率為0.001 一O. 1mm，每個方向的移動4亍禾呈為5-30mm。所述左側板電動平移臺和后側板電動平移臺的型號均為GCD-10410 0M 的電控平移臺，行程100mm,分辨率0. OOlmm。 本發明與現有^t術相比的有益效果是
1、 采用電場操控液滴透鏡面形技術，利用電極和半導體激光器外殼形 成的電場，使準直透鏡的面形能夠隨電場作用而改變，從自然狀態下的球 面變化為兩個方向曲率不同的非球面，從而制作非球面的準直透鏡，實現 對半導體激光器兩個方向光束的同時準直。
2、 采用單透鏡，體積小，重量輕，能量利用率高；在半導體激光器的 出光窗口上直接滴液滴制作準直透鏡，免裝調，且工藝簡單，成本低；透 鏡表面由液滴表面張力和電場作用力相互作用平衡形成，表面光潔度高。
3、 采用實時檢測技術，在電場操控準直透鏡面形的同時，實時檢測半 導體激光器出射光束截面的光斑圖像，面形檢測光路實時檢測準直透鏡的 面形圖像，并圖像處理分析，評價出射光束的準直狀態；并采用紫外光固 化技術，在檢測到出射光束已準直時，將透鏡固化得到為該半導體激光器 量身定做的固體準直透鏡。
圖1為本發明的等軸測視圖2為本發明的主-見圖3為本發明的控制電路示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖，通過實施例對本發明作進一步說明。 實施例
參見圖1、圖2, —種半導體激光器準直透鏡制作裝置包括主框架、二 維微調臺1、環形紫外光源2、電極6、注射器14、光斑檢測攝像機8和面 形檢測光路；
主框架由底部的方形底板16，左部的左側板9，后部的后側板10組成， 左側板9下部開設有反光鏡孔；主框架中部安裝有二維微調臺1, 二維微調 臺1在水平面兩個方向每個方向的移動分辨率為0. OOl — O. lmm，每個方向的移動行程為5-30mm，例如大恒新紀元科」忮股^分有限公司型號為 GCM-120302BM的二維平移臺，每個方向的移動分辨率0. Olmm,行程25mm; 二維微調臺1上安裝有環形紫外光源2, 二維微調臺1中部安裝有半導體激 光器3，半導體激光器3位于環形紫外光源2中央，半導體激光器3的出光 窗口位于頂面；準直透鏡4位于半導體激光器3的出光窗口，準直透鏡4 由光敏膠經紫外光照射固化而成。
環形紫外光源2環壁下部均布開設有四個門形缺口，環壁內側面均布 安裝有3-8個紫外發光二極管；紫外發光二極管發光波長365 nm，可以調 整每個紫外發光二極管的俯仰角，使其發出的光束集中照射在準直透鏡4 上，環形紫外光源2開啟時可以將準直透鏡4固化成為固體透鏡。左側板9 的反光鏡孔位于環形紫外光源2環壁下部左側的門形缺口處，
二維微調臺l右部安裝有白光光源15，白光光源15位于環形紫外光源 2環壁下部右側的門形缺口處，與白光光源15對應在左側板9的反光鏡孔 外側安裝有反光鏡5,反光鏡5的上方安裝有鏡頭17,鏡頭17連接著面形 檢測攝像機18，面形;險測攝〗象機18安裝在左側板9外側上部；
面形檢測光路由所述的白光光源15、反光鏡5、鏡頭17和面形檢測攝 像機18組成，且白光光源15、反光鏡5、鏡頭17和面形檢測攝像機18的 光軸位于同一個垂直面內；面形檢測光路由白光光源15照明，經俯仰角可 調的反光鏡5,用鏡頭17將準直透鏡4的側面輪廓在面形檢測攝像頭18上 成像，這樣可以檢測準直透鏡4在電場中的變形情況，也可以監視電極6 和準直透鏡4之間的間距。
左側板9內側壁上部安裝有左側板電動平移臺7，左側板電動平移臺7 上安裝有光斑檢測攝像機8，左側板電動平移臺7可以帶動光斑檢測攝像機 8在垂直方向移動，使光斑檢測攝像機8可以檢測半導體激光器3出射光束 在光軸方向不同位置的截面光斑圖像，從而判斷半導體激光器3出射光的 準直狀態；后側板10前側壁上部安裝有后側板電動平移臺ll,左側板電動 平移臺7和后側板電動平移臺ll選用大恒新紀元科技股份有限公司型號為 GCD-104100M的電控平移臺，行程100mm,分辨率0. OOlmm;后側板電動平移臺11上通過支架12安裝有可左右轉動的電動轉臺13,電動轉臺13位于 二維微調臺l的上方，電動轉臺13上安裝有電極6和注射器14,且電極6 和注射器14垂直位于二維微調臺1上方，電極6位于光斑檢測攝像機8的 下方；電極6呈圓柱筒形，電極6由上部的絕緣塑料圓筒和圓筒底部的導 電玻璃粘合而成，導電玻璃為橢圓形，且長軸方向與半導體激光器3的慢 軸方向一致，導電玻璃的上表面設有氧化銦錫鍍層；電極6接0-5500V電 壓。電極6的軸向中心線到電動轉臺13的轉動中心線的距離和注射器14 軸向中心線到電動轉臺13的轉動中心線的距離相等；通過調整二維微調臺 1,可以精密調整半導體激光器3在水平面上的位置，使半導體激光器3、 電極6、光斑檢測攝像機8三者的中心線重合。電動轉臺13實現電極6和 注射器14在準直透鏡4正上方位置的切換，注射器14或電極6由后側板 電動平移臺11帶動實現在垂直方向上的移動，使注射器14可以方便準確 地將液滴滴在半導體激光器3的出光窗口上，或者調整電極6和半導體激 光器3之間的間距，從而調整兩者之間的電場，實現準直透鏡4面形的調 整。
半導體激光器3外殼接地，電極6接高電壓，電極6的電壓范圍為0 - "00V可調；電極6和半導體激光器3外殼形成的電場可以操控準直透鏡 4的面形，使其成為快軸方向和慢軸方向曲率不同的非^i面透鏡，從而實現 對兩個方向發散角不同的半導體激光器光束的準直。
參見圖3,圖3是本發明的控制電路示意圖。圖3中7是左側板電動 平移臺，ll是后側板電動平移臺，13是電動轉臺，14是注射器，100是光 電限位傳感器，8是光斑檢測攝像機，18是面形檢測攝像機，6是電極，200 是AT89SS2單片機，300是圖像采集卡，400是高壓電源，500是主控計算 機，6QQ是終端顯示器。
由主控計算機500控制整套裝置的運行。AT89S52單片機200發出驅動 信號，控制各部件運動。光電限位傳感器IOO安裝在左側板電動平移臺7、 后側板電動平移臺11、電動轉臺13和注射器14上，作為各部件移動或轉 動的零點和終點，由AT89S52單片機200處理光電限位傳感器100的信號，防止各部件碰撞。由圖像采集卡300實時采集光斑檢測攝像機8和光斑檢 測攝像機18的圖像信息，傳給主控計算機500進行圖像處理，并在終端顯 示器600上顯示圖4象。由主控計算機500控制高壓電源400,向電極6施加 高電壓，操控準直透鏡4的面形。
其操作過程是，用注射器14將光敏膠滴在半導體激光器3的出光窗口 上形成準直透鏡4,利用電極6和半導體激光器3外殼形成的電場操控準直 透鏡4的面形，使準直透鏡4的面形由球面變為非球面。同時，由光斑檢 測攝像機8實時檢測半導體激光器3出射光束的準直狀態，面形檢測光路 實時檢測準直透鏡4的面形，在檢測到半導體激光器3的出射光已經到達 準直狀態時，開啟環形紫外光源2將準直透鏡4固化，得到為該半導體激 光器3量身定做的單個非球面的準直透鏡。
當要制作一個半導體激光器準直透鏡時，(這里整句刪除)首先，電動 轉臺13將注射器14轉動至半導體激光器3的正上方，后側板電動平移臺 11再將注射器14向下移動，并用二維微調臺1微調半導體激光器3在水平 面上的位置，使注射器14將液滴準確地滴在半導體激光器3的出光窗口的 中央形成準直透鏡4;接著，電動轉臺13切換注射器14和電極6的位置， 使電極6轉動至準直透鏡4正上方，此時高壓電源400向電極6施加電壓， 利用電場作用操控準直透鏡4的面形；同時，光斑檢測攝像機8實時檢測 半導體激光器3的出射光斑圖像，由左側板電動平移臺7帶動光斑檢測攝 像機8在垂直方向上移動，使光斑檢測攝像機8可以檢測半導體激光器3 出射光束在光軸方向不同位置的截面光斑圖像，從而判斷半導體激光器3 出射光束的準直狀態，并由面形檢測光路實時檢測準直透鏡4面形的改變， 并監視準直透鏡4和電極6的間距防止微液滴由于電場作用過強而被吸至 電極6;如果光斑檢測攝像機8檢測到的半導體激光器3的出射光束尚未到 達準直狀態，則可以由后側板電動平移臺11改變電極6與半導體激光器3 的間距或者由高壓電源400改變電極6的電壓來調整電場，從而調整準直 透鏡4的面形，調整出射光束狀態；如果光斑檢測攝像機8檢測到半導體 激光器3的出射光束已經到達準直狀態，則開啟環形紫外光源2將準直透鏡4固化，并由后側—反電動平移臺11將電才及6向上移動回初始位置；這樣， 為半導體激光器3量身定做的非球面準直透鏡就制作完成了 。
權利要求
1、一種半導體激光器準直透鏡制作裝置，其特征在于包括主框架、二維微調臺(1)、環形紫外光源(2)、電極(6)、注射器(14)、光斑檢測攝像機(8)和面形檢測光路；所述主框架由底部的方形底板(16)，左部的左側板(9)，后部的后側板(10)組成，左側板(9)下部設有反光鏡孔；主框架中部設有二維微調臺(1)，二維微調臺(1)上設有環形紫外光源(2)，二維微調臺(1)中部設有半導體激光器(3)，半導體激光器(3)位于環形紫外光源(2)中央，半導體激光器(3)的出光窗口位于頂面，準直透鏡(4)位于半導體激光器(3)的出光窗口；所述環形紫外光源(2)環壁下部均布設有兩個以上的門形缺口，環壁內側面均布設有三個以上紫外發光二極管；左側板(9)的反光鏡孔位于環形紫外光源(2)環壁下部左側的門形缺口處；所述二維微調臺(1)右部設有白光光源(15)，白光光源(15)位于環形紫外光源(2)環壁下部右側的門形缺口處，與白光光源(15)對應在左側板(9)的反光鏡孔外側設有反光鏡(5)，反光鏡(5)的上方設有鏡頭(17)，鏡頭(17)連接著面形檢測攝像機(18)，面形檢測攝像機(18)安裝在左側板(9)外側上部；所述面形檢測光路由所述的白光光源(15)、反光鏡(5)、鏡頭(17)和面形檢測攝像機(18)組成，且白光光源(15)、反光鏡(5)、鏡頭(17)和面形檢測攝像機(18)的光軸位于同一個垂直面內；所述左側板(9)內側壁上部設有左側板電動平移臺(7)，左側板電動平移臺(7)上設有光斑檢測攝像機(8)；所述后側板(10)前側壁上部設有后側板電動平移臺(11)，后側板電動平移臺(11)上通過支架(12)設有可左右轉動的電動轉臺(13)，電動轉臺(13)位于二維微調臺(1)的上方，電動轉臺(13)上設有電極(6)和注射器(14)，且電極(6)和注射器(14)垂直位于二維微調臺(1)上方，電極(6)位于光斑檢測攝像機(8)的下方；所述電極(6)呈圓柱筒形，電極(6)的軸向中心線到電動轉臺(13)轉動中心線的距離和注射器(14)軸向中心線到電動轉臺(13)轉動中心線的距離相等；且所述的半導體激光器(3)、電極(6)、光斑檢測攝像機(8)三者的軸向中心線重合。
2、 根據權利要求1所述的一種半導體激光器準直透鏡制作裝置，其特 征在于所述電極(6)由上部的絕緣塑料圓筒和圓筒底部的導電玻璃粘合而 成，導電玻璃為橢圓形，且長軸方向與半導體激光器(3)的慢軸方向一致， 導電玻璃的上表面設有氧化銦錫鍍層；電極(6)接0-5500V電壓。
3、 根據權利要求1所述的一種半導體激光器準直透鏡制作裝置，其特 征在于所述準直透鏡(4)材料為經紫外光照射能固化的光敏膠。
4、 根據權利要求1所述的一種半導體激光器準直透鏡制作裝置，其特 征在于所述環形紫外光源(2)的環壁內側均布設有3-8個紫外發光二極管， 發光波長365nm。
5、 根據權利要求1所述的一種半導體激光器準直透鏡制作裝置，其特征在于:所述二維微調臺1在水平面兩個方向個方向的移動分辨率為0. 001 —0. Iran,每個方向的移動行程為5-30mm。
6、 根據權利要求1所述的一種半導體激光器準直透鏡制作裝置，其特 征在于所述左側才反電動平移臺和后側板電動平移臺的型號均為 GCD-104100M的電控平移臺，行程100mm，分辨率0. 001mm。
全文摘要
本發明涉及能夠改變準直透鏡面形的一種半導體激光器準直透鏡制作裝置，解決了現有準直透鏡或透鏡組體積大、成本高、裝調困難、能量利用率低等問題。本發明包括二維微調臺、環形紫外光源、電極、注射器、光斑檢測攝像機和面形檢測光路；半導體激光器位于環形紫外光源中央，且二者位于二維微調臺上；環形紫外光源環壁內側面均布設有三個以上紫外發光二極管；面形檢測光路由白光光源、反光鏡、鏡頭和面形檢測攝像機組成；電極和注射器垂直位于二維微調臺上方，且半導體激光器、電極、光斑檢測攝像機三者的軸向中心線重合。本發明工藝簡單，成本低；在半導體激光器的出光窗口上直接滴液滴制作準直透鏡，免裝調，且體積小，重量輕，能量利用率高。
文檔編號H01S5/14GK101442181SQ20081023392
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月17日 優先權日2008年12月17日
發明者丁志中, 姚海濤, 王克逸, 詹珍賢 申請人:中國科學技術大學