CN113013722A - 一种小型化激光器模组 - Google Patents
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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
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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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN104505708A (zh) * | 2014-12-16 | 2015-04-08 | 昂纳信息技术(深圳)有限公司 | 一种垂直腔面发射激光器组件 |
CN108039640A (zh) * | 2017-12-06 | 2018-05-15 | 中国电子科技集团公司第四十九研究所 | 一种795nm激光稳频***及其稳频方法 |
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