CN113013722A - 一种小型化激光器模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化激光器模组，该激光器模组实现了光与结构的配合以及稳频稳功率功能。该激光器模组由VCSEL激光器、PBS偏振分光棱镜、PD光电探测器、PCB基板和封装结构组成。VCSEL激光器使用成品激光器；PBS偏振分光棱镜将VCSEL激光器发射的光分为透射70％和反射30％两部分，形成分光光路；PD光电探测器用来探测PBS偏振分光棱镜反射的VCSEL激光器发射的光，将光信号转化为电信号，通过对电信号的处理实现VCSEL激光器自身稳频稳功率的功能；PCB基板将VCSEL激光器和PD光电探测器组合在一起，实现光源与探测器一体化；封装结构含基准面，VCSEL激光器出光方向垂直于基准面。本发明内部组件布局合理，光路简单，安装便捷，可以应用于多数光学实验平台和传感器。

Description

一种小型化激光器模组

技术领域

本发明涉及光源技术领域，尤其涉及一种小型化激光器模组。

背景技术

随着现代化光通信时代的到来，世界各国开始研究激光器制造并利用其产生的光进行通信，与普通光不同，激光产生是由物质本质，即原子结构来决定的。

垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)激光器是一种光从垂直于半导体衬底表面方向出射的半导体激光器，具有模式好、低阈值电流、寿命长、发散角小、价格便宜等优点。随着现代科技的发展，VCSEL激光器逐渐应用于不同领域，比如3C产品、自动化感应、安全保护、光学触控面板等。而在量子操控领域，VCSEL激光器也开始被广泛使用。例如用特定频率的激光去激励原子，原子吸收激光能量，从基态跃迁到激发态；利用一定频率的激光去采集原子信息，激光受原子物理状态影响后可以携带原子磁场、角速度等物理信息。由于其模式好、体积小、寿命长、价格低等优势，VCSEL激光器逐渐在更先进的量子领域大展身手。

但由于VCSEL激光器存在长期性频率漂移问题，在量子操控方面无法达到我们需要的稳定性，本发明设计一款新的小型化激光器模组，内部包含PD光电探测器，通过光与结构配合，可以实现VCSEL激光器自身的稳频稳功率功能，为实验提供一束稳定且垂直的光束，并且内部结构简单，装配方便、稳定性高。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供一种新型小型化激光器模组，能够实现自身的稳频稳功率功能，提高激光器在使用过程中的稳定性。同时体积小，能够应用于多数光学实验场景中，并且能够应用于量子操控领域。该小型化激光器模组组件布局合理，光路简单，安装便捷。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种新型小型化激光器模组，包括VCSEL激光器、PBS偏振分光棱镜、PD光电探测器、PCB基板和封装结构，其中封装结构包括外壳结构和底座结构，底座结构具有水平方向上的基准面，VCSEL激光器和PD光电探测器焊接在同一块PCB基板上，实现光源和探测器一体化，所述PCB基板安装于底座结构的基准面上，所述外壳结构罩于VCSEL激光器和PD光电探测器上且与底座结构固定连接，所述VCSEL激光器发射出一束垂直于基准面的光，通过外壳结构内部的第一通光孔照射到PBS偏振分光棱镜底部，光在PBS偏振分光棱镜中经过偏振分光介质膜，透射70％的光，反射30％的光到PBS反射镜上进行二次反射，二次反射后的光束通过外壳结构内部的第二通光孔到达PD光电探测器，VCSEL激光器发射的初始光束与经过二次反射后到达PD光电探测器的光束呈180°角。

进一步地，所述外壳结构顶面设有第三凹槽，用于放置PBS偏振分光棱镜。

进一步地，所述外壳结构底面设有定位槽，所述底座结构顶面设有与定位槽匹配的定位台。

进一步地，所述外壳结构和底座结构的接触面涂抹结构胶，将外壳结构和底座结构固定在一起。

进一步地，所述PBS偏振分光棱镜与外壳结构两者接触面涂抹结构胶，将PBS偏振分光棱镜和外壳结构固定在一起。

进一步地，所述底座结构顶面设有凹槽，用于放置PCB基板。

进一步地，所述底座结构底面设有基准面，为VCSEL激光器提供水平基准。

进一步地，所述PCB基板四个角涂抹结构胶，将PCB基板和底座结构固定在一起。

进一步地，所述外壳结构上设有通孔，用来通过PCB基板上的电源线与信号线。

进一步地，所述外壳结构底部设有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽与VCSEL激光器的镜筒底部形成配合，所述第二凹槽为PD光电探测器预留的空间。

进一步地，所述外壳结构的一侧设有通孔。

与现有技术相比，本发明的技术效果：

本发明提供的新型小型化激光器模组，利用PBS偏振分光棱镜产生的分光光路，为实现VCSEL激光器稳频稳功率的功能提供基础，通过外接仪器设备和软件设计分析PD光电探测器的信号，从而达到VCSEL激光器稳频稳功率的功能。同时，将VCSEL激光器和PD光电探测器集成在同一PCB基板上，便于装配和调试，缩小了体积，设计的封装结构能够合理利用空间，将各个器件都封装在一起，分布合理，体积小巧，对准方便，结构简单，性能稳定，便于应用于各种光学实验平台和传感器。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的小型化激光器模组的结构总体剖面图；

图2为本发明实施例提供的小型化激光器模组的***视图；

图3为本发明实施例提供的PBS偏振分光棱镜分光光路图；

图4为本发明实施例提供的外壳结构剖面图；

图5为本发明实施例提供的外壳结构仰视图；

图6为本发明实施例提供的外壳结构轴测图；

图7为本发明实施例提供的底座结构俯视图；

图8为本发明实施例提供的底座结构轴测图；

图9为本发明实施例提供的底座结构仰视图。

附图标记说明：

1、VCSEL激光器；2、PBS偏振分光棱镜；3、PD光电探测器；4、PCB基板，5、外壳结构，6、底座结构。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

参见图1所示，本发明提供的新型小型化激光器模组，包括VCSEL激光器1、PBS偏振分光棱镜2、PD光电探测器3、PCB基板4、外壳结构5和底座结构6。

图2为一种小型化激光器模组***视图。PBS偏振分光棱镜2放置在外壳结构5顶面的第三凹槽501中，在两者接触面涂抹结构胶，并使用紫外灯进行照射固化，将PBS偏振分光棱镜2和外壳结构5固定在一起。VCSEL激光器1和PD光电探测器3焊接在同一块PCB基板4上，实现光源和探测器一体化。把上述光源和探测器一体化结构放置在底座结构6顶面的凹槽602中，PCB基板4底面贴合凹槽602底面，在PCB基板4四个角涂抹结构胶，并使用紫外灯进行照射固化，将PCB基板4和底座结构6固定在一起。将外壳结构5放置在底座结构6上面，其中底座结构6顶面的定位台601要与外壳结构5底面的定位槽507配合，使外壳结构5和底座结构6在横向上不会发生相对位移，在两者接触面涂抹结构胶，并使用紫外灯进行照射固化，将外壳结构5和底座结构6固定在一起。

图3为PBS偏振分光棱镜分光光路图，VCSEL激光器1发射出一束垂直于基准面603的光，通过外壳结构5内部的第一通光孔502照射到PBS偏振分光棱镜2底部。光在PBS偏振分光棱镜2中经过偏振分光介质膜201，透射70％的光，反射30％的光到PBS反射镜202上，进行二次反射。二次反射后的光束通过外壳结构5内部的第二通光孔503到达PD光电探测器3。激光器发射的初始光束与经过二次反射后到达光电探测器的光束呈180°角。利用PBS偏振分光棱镜2反射回来的光可以实现稳频稳功率功能。

VCSEL激光器1内含八根线信号线，分别是两根电流线，两根加热线和四根测温线，其中四根测温线组成四线制测温。八根信号线通过金丝连接在PCB基板4上，是成品激光器本身特征。PCB基板4上引出八根信号线，分别对应VCSEL激光器1的同功能信号线，转接到外部仪器，可以通过仪器控制VCSEL激光器1的电流和温度。两根加热线连接的是VCSEL激光器1中的加热丝，输入一定功率的加热信号可以实现VCSEL激光器1的加热，控制其温度。VCSEL激光器1上的温度传感器为热敏电阻，其阻值随温度变化而变化。通过四根测温线测量热敏电阻的阻值，利用热敏电阻温度系数换算可以得到VCSEL激光器1的温度，再通过控制两根加热线信号来控制VCSEL激光器1的温度。采用四线制测温，可消除引线的电阻影响，实现高精度温度检测。PD光电探测器3焊接在PCB基板4上，PD光电探测器3可以把光信号转化为电信号然后输出。从PCB基板4上引出两根信号线，PD光电探测器3输出的电信号经由两根信号线输出到外部仪器，仪器对其输出电信号进行采集。根据采集的PD光电探测器3输出的电信号，利用一定的算法控制VCSEL激光器1的电流输入和加热输入，使VCSEL激光器1的温度和输出功率控制在设定值，最终实现稳频稳功率功能。

图4为外壳结构剖面图。凹槽501用来放置PBS偏振分光棱镜2，其长宽尺寸与PBS偏振分光棱镜2底面尺寸相同。第一通光孔502、第二通光孔503分别用来通过VCSEL激光器1发射的光和经过二次反射到达PD光电探测器3的光。其中第一通光孔502的直径与VCSEL激光器1镜筒的直径相同。通孔504用来通过PCB基板4上的电源线与信号线。第一凹槽505与VCSEL激光器1镜筒底部方形部分相互配合。第二凹槽506是为PD光电探测器3预留的空间，防止外壳结构5内部的不规则结构触碰到光电探测器表面，对其造成损伤。

如图5和图6所示，外壳结构5的定位槽507用于和底座结构6顶面的定位台601配合，保证外壳结构5和底座结构6在横向上不会发生相对位移。

如图7和图8所示，底座结构的定位台601用于和外壳结构5底面的定位槽507配合，保证外壳结构5和底座结构6在横向上不会发生相对位移。凹槽602用来放置PCB基板4，其尺寸与电路板尺寸相同。

如图9所示，底座结构的基准面603可以为VCSEL激光器1提供基准，安装过程中保证VCSEL激光器1发射的激光垂直于基准面603。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种小型化激光器模组，其特征在于，包括VCSEL激光器(1)、PBS偏振分光棱镜(2)、PD光电探测器(3)、PCB基板(4)和封装结构，其中封装结构包括外壳结构(5)和底座结构(6)，底座结构具有水平方向上的基准面，VCSEL激光器(1)和PD光电探测器(3)焊接在同一块PCB基板(4)上，实现光源和探测器一体化，所述PCB基板(4)安装于底座结构(6)的基准面上，所述外壳结构(5)罩于VCSEL激光器(1)和PD光电探测器(3)上且与底座结构(6)固定连接，所述VCSEL激光器(1)发射出一束垂直于基准面的光，通过外壳结构(5)内部的第一通光孔(502)照射到PBS偏振分光棱镜(2)底部，光在PBS偏振分光棱镜(2)中经过偏振分光介质膜(201)，透射70％的激光，反射30％的激光到PBS反射镜(202)上进行二次反射，二次反射后的光束通过外壳结构(5)内部的第二通光孔(503)到达PD光电探测器(3)，VCSEL激光器(1)发射的初始光束与经过二次反射后到达PD光电探测器(3)的光束呈180°角。

2.根据权利要求1所述的小型化激光器模组，其特征在于，所述外壳结构(5)顶面设有第三凹槽(501)，用于放置PBS偏振分光棱镜(2)。

3.根据权利要求1所述的小型化激光器模组，其特征在于，所述外壳结构(5)底面设有定位槽(507)，所述底座结构(6)顶面设有与定位槽匹配的定位台(601)。

4.根据权利要求1所述的小型化激光器模组，其特征在于，所述外壳结构(5)和底座结构(6)的接触面涂抹结构胶，将外壳结构(5)和底座结构(6)固定在一起。

5.根据权利要求1所述的小型化激光器模组，其特征在于，所述PBS偏振分光棱镜(2)与外壳结构(5)两者接触面涂抹结构胶，将PBS偏振分光棱镜(2)和外壳结构(5)固定在一起。

6.根据权利要求1所述的小型化激光器模组，其特征在于，所述底座结构(6)顶面设有凹槽(602)，用于放置PCB基板(4)，底面设有基准面(603)，为VCSEL激光器(1)提供水平基准。

7.根据权利要求1所述的小型化激光器模组，其特征在于，所述PCB基板(4)四个角涂抹结构胶，将PCB基板(4)和底座结构(6)固定在一起。

8.根据权利要求1所述的小型化激光器模组，其特征在于，所述外壳结构(5)上设有通孔(504)，用来通过PCB基板(4)上的电源线与信号线。

9.根据权利要求1所述的小型化激光器模组，其特征在于，所述外壳结构(5)底部设有第一凹槽(505)和第二凹槽(506)，所述第一凹槽(505)与VCSEL激光器(1)的镜筒底部形成配合，所述第二凹槽(506)为PD光电探测器(3)预留的空间。

10.根据权利要求1所述的小型化激光器模组，其特征在于，所述外壳结构(5)的一侧设有通孔(504)。

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