专利名称：一种激光器测试用双轴旋转扫描机构及激光器远场测试装置的制作方法
技术领域：
本发明属于激光器测试领域，涉及一种半导体激光器远场测试装置，尤其是一种 激光器测试用双轴旋转扫描机构及激光器远场测试装置。
背景技术：
半导体激光器又称激光二极管(LD)。具有体积小，效率高，能直接调制等特点。随 着其制造技术的不断提高，半导体激光器正向着增加功率、提高可靠性、降低光谱宽度、提 高亮度和无铟化方向发展。半导体激光器制造技术的发展也推动了其测试测量技术的不断 进步。多年来，国内外多家单位在半导体激光器参数测试都做了大量工作。其中，国外有美 国的Keithley公司、ILxlightwave公司、Newport公司以及加拿大Telops公司都开发出LD 参数测量系统。其系统采用模块化设计方式，可实现激光器参数的自动或半自动测试。国 内北京科技大学等单位也对激光器参数测试做了大量研究工作，其开发出一套综合激光器 测试系统，可以测量激光器的输出功率，分析激光器的光谱成分，以及计算LIV参数等。然而，在半导体激光器的大量测试参数中，远场测试一直是其中的难点。由于半导 体激光器光束发散角较大(快轴发散角一股大于40度，慢轴发散角一股大于8度)，一股 的测试方法很难对其远场特性进行全面描述。而半导体激光器远场参数又为后期光学整形 提供重要依据，因此，远场测试设备的开发越来越为人们所重视。目前通用测量方法是使用 步进电机带动探测器，以垂直于激光器发光轴线的垂直平面移动至激光器发光范围区域， 测量不同位置处的激光器光功率，达到远场测试的目的。然而，这种方法存在以下明显的缺 陷1)激光探测器水平运动至激光器发光区域时，各参考位置相对于激光器的绝对位置不 同，测试光功率误差随其相对位置变小而急剧增大。2)这种方式一股只能实现单一方向的光功率测试，而难以对激光器的整个远场特 性进行描述。3)这种方式数据采集比较单一，使用数据记录仪进行数据分析，自动化程度偏低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种激光器测试用双轴旋转扫 描机构及基于该机构的激光器远场测试装置，其设计采用全自动化的控制方式，控制运动 旋转机构，对被测试的半导体激光器发光区快慢轴进行自动扫描，从而实现对激光器远场 各项参数的计算与测量。本装置采用模块化的设计方式，可实现与其他半导体激光器测试 设备的方便兼容。本发明是通过以下技术方案实现的这种激光器测试用双轴旋转扫描机构，包括 外壳、激光器探测器、第一电机和第二电机。另外还包括一个水平垂直导向架，水平垂直导 向架包含有一个水平向安装臂和一个垂直向安装臂，水平向安装臂的端部安装有轴向垂直 的第一电机，第一电机的输出轴通过联轴器连接有扫描旋转臂，扫描旋转臂的下端安装有激光器探测器，垂直向安装臂的端部与第二电机的输出轴端固定连接，所述第二电机的输出轴水平设置且第二电机固定于外壳上。上述水平向安装臂和垂直向安装臂相互垂直且成一体式结构。上述第一电机和第二电机为步进电机或者伺服电机。上述扫描旋转臂由设置于上下两端的垂直连杆和连接两垂直连杆的水平连杆组 成，上端的垂直连杆与第一电机的输出轴连接，下端的垂直连杆端部固定有激光器探测器。上述扫描旋转臂的水平连杆是一伸缩杆，使得激光探测器的臂长可以根据激光器 参数的不同进行长短调整。本发明还提供一种基于上述双轴旋转扫描机构的半导体激光器远场测试装置，包 括计算机、数据采集卡和电机运动控制模块。所述计算机通过数据采集卡接收来自激光器 探测器的信号，所述电机运动控制模块分别与计算机、第一电机和第二电机连接，计算机通 过电机运动控制模块控制第一电机和第二电机；第二电机固定于外壳内的上部，所述激光 器探测器的下方设置有支撑架，支撑架垂直固定于外壳内的底部。上述电机运动控制模块包括运动控制卡、电机细分驱动器、电机编码器和直流电 源模块，所述运动控制卡分别与电机细分驱动器和电机编码器连接，电机细分驱动器与直 流电源模块连接；所述电机细分驱动器、运动控制卡和电机编码器均与第一、二电动机连 接，运动控制卡还与所述计算机连接。上述激光器探测器与数据采集卡之间设置有信号调理单元。上述外壳内的底部和侧边各设置有一个位置指示器，两个位置指示器指向外壳的 中心位置；所述位置指示器可为红光指示器，也可采用其他光指示器。本发明可以对半导体激光器的远场参数进行精确测量，其主要具有以下优点(1) 本发明的激光器测试用双轴旋转扫描机构采用双轴联动机械结构，旋转臂仅带动单个激光 器探测器即可完成半导体激光器远场快轴与慢轴参数描述，结构简单，易于实现。(2)本发明的半导体激光器远场测试装置采用闭环控制方式，对第一、二电机驱动 的两个旋转部件的旋转位置进行精确控制，确保了其测量参数的可靠性。
图1是本发明远场硬件功能原理框图；图2是本发明的远场测试装置整体结构示 意图；图3是本发明的双轴旋转扫描机构的结构示意图；图4是本发明的半导体激光器远 场参数测试数据图。其中1为激光器；2为位置指示器；3为支撑架；4为外壳；5为第一电机；6为水平 垂直导向架；7为激光探测器；8为扫描旋转臂；9为联轴器；10为第二电机；11为光功率衰 减片。
具体实施方案以下结合附图对本发明作进一步详细描述本发明首先提出了一种激光器测试用 双轴旋转扫描机构，如图2和图3所示，它包括外壳4、激光器探测器7、第一电机5、第二电 机10，和一个水平垂直导向架6。其中水平垂直导向架6包含有一个水平向安装臂和一个 垂直向安装臂，本发明的水平向安装臂和垂直向安装臂相互垂直且成一体式结构。水平向安装臂的端部安装有轴向垂直的第一电机5，第一电机5的输出轴通过联轴器9连接有扫描 旋转臂8，扫描旋转臂8由设置于上下两端的垂直连杆和连接两垂直连杆的水平连杆组成， 上端的垂直连杆通过联轴器与第一电机5的输出轴连接，下端的垂直连杆端部固定有激光 器探测器7，当第一电机5驱动扫描旋转臂8转动时，扫描旋转臂8的下端带着激光器探测 器7 —起做圆周运动。扫描旋转臂8的水平连杆可以设计为一伸缩杆，使得激光探测器的 臂长可以根据激光器参数的不同进行长短调整。水平垂直导向架6的垂直向安装臂的端部与第二电机10的输出轴端固定连接，第二电机10的输出轴水平设置且第二电机10固定于外壳4上。本发明所提的第一电机5和 第二电机10都采用步进电机，也可以采用伺服电机。基于上述的双轴旋转扫描机构，本发明设计出一种半导体激光器远场测试装置， 参见图1的连接框图并结合图2和图3，该装置包括计算机、数据采集卡和电机运动控制模 块。其中计算机通过数据采集卡接收来自激光器探测器7的信号，电机运动控制模块分别 与计算机、第一电机5和第二电机10连接，计算机通过电机运动控制模块控制第一电机5 和第二电机10 ；第二电机10固定于外壳4内的上部，激光器探测器7的下方设有支撑架3， 支撑架3垂直固定于外壳4内的底部，且在支撑架3的上端设有夹设激光器1的夹具。电 机运动控制模块包括运动控制卡、电机细分驱动器、电机编码器和直流电源模块，所述运动 控制卡分别与电机细分驱动器和电机编码器连接，电机细分驱动器与直流电源模块连接； 所述电机细分驱动器、运动控制卡和电机编码器均与第一电动机5和第二电动机10连接， 运动控制卡还与所述计算机连接。本发明在激光器探测器7与数据采集卡之间还设有一个 信号调理单元。在外壳4内的底部和侧边各设有一个位置指示器2，本发明的位置指示器可 以采用红光指示器或者其他指示器，两个位置指示器2指向外壳4的中心位置。本发明的半导体激光器远场测试装置可选用如3所示的单一探测器双轴旋转式 机械结构，也可采用两个探测器双臂二维扫描的机械结构。在本发明的半导体激光器远场测试装置中，数据采集卡主要用于采集从激光探测 器7传送的电压信号，进而送入计算机中进行处理。本发明的双轴旋转扫描机构在激光器测试时，包括水平与垂直两个方向的运动， 第一电机5实现激光探测器7相对激光器1发光点水平方向180度旋转，第二电机10实现 整体扫描架(即水平垂直导向架6以及与其连接的各部件)旋转90度至与激光器1发光点 垂直位置，再由第一电机5实现激光探测器7垂直于激光器1发光点方向180度旋转。整 个激光器扫描运动控制系统采用闭环控制，由运动控制卡发出对远场运动控制指令，通过 电机细分驱动器将控制信息传输给远场运动控制电机(第一电机5或第二电机10)，实现对 双轴旋转扫描机构的运动控制，电机编码器可采集远场运动控制电机的运动位置信息反馈 给运动控制卡，从而实现对远场运动控制电机的精确控制。计算机接收数据采集卡与运动 控制卡的相关数据信息，一方面对双轴旋转扫描机构进行精确位置控制，同时实现对各远 场待测参数的计算。如图2所示，本发明使用的激光器1置于激光器测试支架3上。位置指示器2安 装于外壳4内的水平和垂直于双轴旋转扫描机构5的中心位置，用于指示激光器1发光位 置与双轴旋转扫描机构的中心位置保持同心。如图3所示，在激光器探测器7前设置一个光功率衰减片11，位于激光器探测器7的前部，可根据测试激光器的光功率密度进行调节，避免激光探测器7由于探测的激光器的发光功率过大而饱和，可根据激光器的发光功率调节衰减倍率，本发明实例中采用1/100 倍率-1/1000倍率的衰减片。图4是激光器远场测试自动报表。其中激光器快轴与慢轴测试曲线均采用功率归
一化处理。本发明的测试装置的工作过程如下当激光器发光后，由图2中所示位置指示器2 从水平与垂直两个方向确定激光器发光点的位置。移动远场测试装置，使图3中扫描旋转 臂8的中心位置与激光器发光点保持同心。利用图3中第一电机5控制扫描旋转臂8至与 激光器发光点保持同一水平面至方向零点可定义正对激光器发光点右侧为方向零点，也可 定义其他坐标系，以勻速运动方式从0度旋转至180度，同时配合采集卡和计算机实时采 样，从而得到激光器远场慢轴特性曲线，根据曲线计算慢轴相关参数。完成激光器慢轴扫描 后，第一电机5将控制扫描旋转臂8自动返回零点。再由图3中所示第二电机10控制水平 垂直导向架6从垂直与激光器发光位置转向水平。重复与慢轴扫描相同的运动，即可得到 激光器远场快轴特性曲线并根据曲线计算快轴相关参数。根据计算机上的软件处理结果， 可得到半导体激光器远场的测试曲线。本发明的该种半导体激光器远场测试装置采用光功率信号采集与处理同步的方 式，在完成远场扫描结束后立即给出快轴及慢轴FWHM，Ι/e2能量范围，95%能量等参数测试 结果，具备良好的实时性与快速性。并且该装置在远场测试结束后，可自动提供数据报表， 为今后的半导体远场数据分析提供依据。该装置采用模块化的开发方式，能够方便的与其 他激光器参数测试设备相结合，具备良好的设备兼容性。综上所述，该装置不仅很好的解决传统远场测试设备的缺点，并且结构简单，远场 参数描述全面，具备良好的应用前景。
权利要求
一种激光器测试用双轴旋转扫描机构，包括外壳(4)、激光器探测器(7)、第一电机(5)和第二电机(10)，其特征在于还包括水平垂直导向架(6)，所述水平垂直导向架(6)包含有水平向安装臂和垂直向安装臂，水平向安装臂的端部安装有轴向垂直的第一电机(5)，第一电机(5)的输出轴通过联轴器(9)连接有扫描旋转臂(8)，扫描旋转臂(8)的下端安装有激光器探测器(7)，垂直向安装臂的端部与第二电机(10)的输出轴端固定连接，所述第二电机(10)的输出轴水平设置且第二电机(10)固定于外壳(4)上。
2.根据权利要求1所述的激光器测试用双轴旋转扫描机构，其特征在于所述水平向 安装臂和垂直向安装臂相互垂直且成一体式结构。
3.根据权利要求1所述的激光器测试用双轴旋转扫描机构，其特征在于所述第一电 机(5)和第二电机(10)为步进电机或者伺服电机。
4.根据权利要求1所述的激光器测试用双轴旋转扫描机构，其特征在于所述扫描旋 转臂(8)由设于上下两端的垂直连杆和连接两垂直连杆的水平连杆组成，上端的垂直连杆 与第一电机(5)的输出轴连接，下端的垂直连杆端部固定有激光器探测器(7)。
5.根据权利要求4所述的激光器测试用双轴旋转扫描机构，其特征在于所述扫描旋 转臂(8)的水平连杆是一伸缩杆。
6.一种基于权利要求1所述双轴旋转扫描机构的半导体激光器远场测试装置，包括计 算机、数据采集卡和电机运动控制模块，其特征在于所述计算机通过数据采集卡接收来自 激光器探测器(7)的信号，所述电机运动控制模块分别与计算机、第一电机(5)和第二电 机(10)连接，计算机通过电机运动控制模块控制第一电机(5)和第二电机(10)；第二电机 (10)固定于外壳(4)内的上部，所述激光器探测器(7)的下方设有激光器支撑架(3)，激光 器支撑架(3)垂直固定于外壳(4)内的底部。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器远场测试装置，其特征在于所述电机运动控 制模块包括运动控制卡、步进电机细分驱动器、步进电机编码器和直流电源模块，所述运动 控制卡分别与步进电机细分驱动器和步进电机编码器连接，步进电机细分驱动器与直流电 源模块连接；所述步进电机细分驱动器、运动控制卡和步进电机编码器均与第一、二电动机 (5、10)连接，运动控制卡还与计算机连接。
8.根据权利要求6所述的半导体激光器远场测试装置，其特征在于所述激光器探测 器(7)与数据采集卡之间设有信号调理单元。
9.根据权利要求6所述的半导体激光器远场测试装置，其特征在于所述外壳(4)内 的底部和侧边各设有一个位置指示器(2)，两个位置指示器(2)指向外壳⑷的中心位置； 所述位置指示器是红光指示器。
全文摘要
本发明公开了一种激光器测试用双轴旋转扫描机构及激光器远场测试装置，该双轴旋转扫描机构，包括外壳、激光器探测器、第一电机、第二电机和水平垂直导向架，水平垂直导向架包含水平向安装臂和一个垂直向安装臂，水平向安装臂的端部安装第一电机，第一电机连接扫描旋转臂，扫描旋转臂上安装激光器探测器，垂直向安装臂与第二电机连接，第二电机固定于外壳上。本发明的远场测试装置基于该双轴旋转扫描机构，其采用光功率信号采集与处理同步的方式，在完成远场扫描结束后立即给出快轴及慢轴FWHM，1/e2能量范围，95％能量等参数测试结果，并且该装置在测试后，可自动提供数据报表。本装置采用模块化的设计方式，具备良好的设备兼容性。
文档编号G01M11/02GK101825517SQ20101017423
公开日2010年9月8日 申请日期2010年5月17日 优先权日2010年5月17日
发明者代华斌, 刘兴胜, 郑艳芳 申请人:西安炬光科技有限公司