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摘 要 对绿光激光模组同轴度进行了研究，从激光光路上的光学器件、机械器件、工装三个方面进行了详细分析，并给出解决问题思路及具体优化方案。讲述了绿光激光模组常规结构，介绍了部分绿光激光模组制作工艺流程，涉及到绿光激光模组检测和机械器件的加工。
关键词 同轴度；激光；模组；机械件；优化
中图分类号：TN248 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）12-0149-02
近几年，随着激光二极管（laserdiode，简称LD）技术的发展，LD泵浦的绿光激光模组因具有方向性好、衰减小、视觉敏感等优点，在明亮的场所甚至户外均可使用，已经在光通讯、激光显示和测量等很多方面得到了重要的应用。随着科技的不断发展和进步，电子器件的生产日益追求集成化、模块化，在工艺技术越来越完善的同时，对其核心组件激光模组也相应提出了更高的要求，追求小尺寸、重量轻、高效率也成了激光模组设计的必由之路，对激光模组的同轴度（机械轴线与输出激光的光轴的重合程度）提出了异常严格的要求。
1 绿光激光模组简介
绿光激光模组是指结合现代半导体激光二极管技术和固态激光技术的光机电一体化激光产品，一般由LD、晶体（可以是胶合晶体，也可以是单一自倍频晶体）、光学器件、光反馈组件以及金属机械件组成，如图1所示。
LD发出特定波长（一般在790 nm-820 nm）的辐射，经过耦合透镜后进入晶体内部，晶体内的激活离子受激辐射实现光的振荡，产生绿光激光（波长510 nm-550 nm），激光在晶体输出端输出，通过滤光片、分光片和光反馈组成的光反馈组件，再经扩束镜、准直镜光束整形后得到所需要的绿光激光。
同轴度即为激光模组机械轴线与输出激光的光轴的重合程度，能够引起激光光束平移或偏角的各个因素均会影响激光模组的同轴度，下面便从激光光路上的光学器件、机械器件、工装三大方面进行详细分析，并给出解决问题思路及具体优化
方案。
2 光学器件分析及优化
1）晶体两端面形成谐振腔，晶体出光垂直端面，晶体与晶体支架的装配一般采用侧面定位的方式，由于晶体切割的加工精度很难保证晶体侧面与晶体端面绝对垂直，故会造成晶体相对晶体支架倾斜的情况，使输出激光与机械轴线出现夹角。
解决上面问题可采用端面定位的方法，具体做法为：将晶体支架下表面与晶体入射端面置于同一平面上，可用平面度高、粗糙度好的玻璃、金属或其他材质平面作为定位面，晶体由于体积较小，可采用点接触垂直压住出光端面固定，也可采用定位面打孔负压吸附入射端面的方法固定，将晶体支架尽量接近晶体，点胶使之连接在一起，完全固化后取下。
2）光反馈组件里的滤光片和分光片均为平面镀膜器件，不会改变激光的传播方向，但分光片的折射率一般大于1.5，故经过分光片后激光光束会出现平移（见图2），平移量△L与分光片厚度及折射率均成正比。
减小厚度或更换折射率小的材料可以减小平移量△L，另外也可以更换反馈方案，例如采用反射式或吸收式光反馈组件（见图3），这样就可以直接省掉分光片，彻底杜绝分光片引起的光束偏移。
3）扩束镜、准直镜能够轻易改变激光的传播方向，0.1 mm的平移便会带来大于1°以上的激光方向变化。常规的透镜装配方法，是采用紫外胶将透镜固定在与之相连的器件上（一般是扩束镜固定在光反馈组件上，准直镜固定在准直镜支架上），由于点胶时很难做到点到透镜四周的胶均匀对称，紫外胶在固化的过程中体积会发生变化，会将透镜拉离原来位置，造成同轴度的极大偏差。另外，光反馈组件因热胀冷缩也会使扩束镜的位置变化，在不同的温度环境下使同轴度出现差异。
可以在光反馈组件与扩束镜中间增加一个金属机械件，使扩束镜固定在机械件上，杜绝因光反馈组件热胀冷缩带来的同轴度偏差；在扩束镜或准直镜的出光面一侧增加一个与外壳相连的金属机械件将透镜牢牢压住，可以避免胶固化时透镜平移。
3 机械器件分析及优化
LD、耦合透镜均是通过机械件定位，如果LD或耦合透镜装歪、装偏均会造成泵浦光打在晶体内的位置不在模组的机械轴线上，进而造成晶体出光平移。
有些尺寸较小的激光模组，泵浦源支架夹持部分过小（有些宽度小于1 mm），在将其夹持在调试工装上时，很难保证其定位是准确的，这种情况下制作出来的产品，同轴度会出现很大偏差。
激光模组产品各机械组件间相互连接，较多采用螺纹连接和过盈配合两种方式：采用螺纹连接时，螺纹同轴度偏差或定位面选择不当均会直接造成激光模组的同轴度偏差；采用过盈配合时，过盈量过大、装配工装定位不准或磨损也会直接造成激光模组的同轴度偏差。模组外壳本身的偏差也会直接影响最终产品的同轴度。
装LD和装耦合透镜均需要设计专用工装，工装必须能保证装配件的上下两部分准确定位；另外对于夹持部分过小的器件，在模组设计时应将夹持方案考虑周全，如必须这样设计，则需要专门制作夹持定位件（必要时可改变定位位置），将小器件定位在定位件上后再进行后期加工。在做激光模组机械设计时，应考虑减少机械件的数量及配合次数；采用过盈配合的设计也可以考虑采用过渡配合或间隙配合点胶的方式；必须保证机械件本身的质量，提高加工精度，尤其是要保证机械件的同轴度、平面度和粗糙度。
对于同轴度要求极高的模组，可以采用车外壳方法，具体做法为：将模组夹持在装有可机械调整同轴度工装的车床上，对外壳进行再次加工，将外壳车到符合要求为止。
4 工装分析及优化
1）绿光激光模组制作过程中，常用的模组夹持方法为泵浦源支架外圆定位，用螺柱将模组定位在圆形槽或V型槽上（由于定位更好，V型槽更常用），由于固定V型槽工装的桌子很容易移动位置或桌面变形（温度变化、受潮、受压等），已经校对好的光学标靶不再准确，若不经常校对，会出现批量同轴度不良。
将桌子固定或采用光学平台可以在一定程度上改善这一现象，若想从根本上解决问题，可以建立在线校对系统，一种方法是在V型槽工装内部埋入一个激光模组（红光更好），使V型槽工装标准位置与红光模组指示位置固定且不受外因影响；另一种方法为采用旋转调试工装（见图4），模组夹持在模组卡盘上，模组卡盘与可旋转盘一体且可以随意旋转，内部用精密轴承保证模组卡盘的同轴度，通过接线柱给模组供电，底座可以固定在任何桌面上且不受桌面变动影响，制作过程中便可以直接读出在制模组的同轴度，另外，该工装也可以用于测试，克服了原有测试工装受电线限制无法任意转动的问题。
2）装扩束镜时，激光光斑会变得非常大，不易观察其中心点，目测的方法无法保证最终产品的同轴度，造成模组产品的一致性差，甚至出现很多不良品。
可以在激光光路上增加一个较大直径、焦距适当且与激光模组同轴的聚焦镜，这样激光光束会在接收屏上聚焦为一个较小的点，非常容易判定位置，另外，也可以将该聚焦镜与上面提到的旋转调试工装集成为一体。
5 结束语
上面虽然分析了影响绿光激光模组同轴度的三个方面，并给出了切实可行的优化方案，但仍有很多因素会影响到同轴度这一参数，例如：激光出光模式的变化，需要我们从LD、晶体等原材料、电路控制的稳定性等诸多方面去控制。
参考文献
[1]周炳坤，高以智，等.激光原理[M].北京：国防工业出版社，2009.
[2]赵圣之.非线性光学[M].济南：山东大学出版社，2007.
[3]李适民，黄维玲.激光器件原理与设计[M].北京：国防工业出版社，1998.
[4]周曹，乔川，等.半导体激光器模组的设计[J].红外，
2009（1）.
关键词 同轴度；激光；模组；机械件；优化
中图分类号：TN248 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）12-0149-02
近几年，随着激光二极管（laserdiode，简称LD）技术的发展，LD泵浦的绿光激光模组因具有方向性好、衰减小、视觉敏感等优点，在明亮的场所甚至户外均可使用，已经在光通讯、激光显示和测量等很多方面得到了重要的应用。随着科技的不断发展和进步，电子器件的生产日益追求集成化、模块化，在工艺技术越来越完善的同时，对其核心组件激光模组也相应提出了更高的要求，追求小尺寸、重量轻、高效率也成了激光模组设计的必由之路，对激光模组的同轴度（机械轴线与输出激光的光轴的重合程度）提出了异常严格的要求。
1 绿光激光模组简介
绿光激光模组是指结合现代半导体激光二极管技术和固态激光技术的光机电一体化激光产品，一般由LD、晶体（可以是胶合晶体，也可以是单一自倍频晶体）、光学器件、光反馈组件以及金属机械件组成，如图1所示。
LD发出特定波长（一般在790 nm-820 nm）的辐射，经过耦合透镜后进入晶体内部，晶体内的激活离子受激辐射实现光的振荡，产生绿光激光（波长510 nm-550 nm），激光在晶体输出端输出，通过滤光片、分光片和光反馈组成的光反馈组件，再经扩束镜、准直镜光束整形后得到所需要的绿光激光。
同轴度即为激光模组机械轴线与输出激光的光轴的重合程度，能够引起激光光束平移或偏角的各个因素均会影响激光模组的同轴度，下面便从激光光路上的光学器件、机械器件、工装三大方面进行详细分析，并给出解决问题思路及具体优化
方案。
2 光学器件分析及优化
1）晶体两端面形成谐振腔，晶体出光垂直端面，晶体与晶体支架的装配一般采用侧面定位的方式，由于晶体切割的加工精度很难保证晶体侧面与晶体端面绝对垂直，故会造成晶体相对晶体支架倾斜的情况，使输出激光与机械轴线出现夹角。
解决上面问题可采用端面定位的方法，具体做法为：将晶体支架下表面与晶体入射端面置于同一平面上，可用平面度高、粗糙度好的玻璃、金属或其他材质平面作为定位面，晶体由于体积较小，可采用点接触垂直压住出光端面固定，也可采用定位面打孔负压吸附入射端面的方法固定，将晶体支架尽量接近晶体，点胶使之连接在一起，完全固化后取下。
2）光反馈组件里的滤光片和分光片均为平面镀膜器件，不会改变激光的传播方向，但分光片的折射率一般大于1.5，故经过分光片后激光光束会出现平移（见图2），平移量△L与分光片厚度及折射率均成正比。
减小厚度或更换折射率小的材料可以减小平移量△L，另外也可以更换反馈方案，例如采用反射式或吸收式光反馈组件（见图3），这样就可以直接省掉分光片，彻底杜绝分光片引起的光束偏移。
3）扩束镜、准直镜能够轻易改变激光的传播方向，0.1 mm的平移便会带来大于1°以上的激光方向变化。常规的透镜装配方法，是采用紫外胶将透镜固定在与之相连的器件上（一般是扩束镜固定在光反馈组件上，准直镜固定在准直镜支架上），由于点胶时很难做到点到透镜四周的胶均匀对称，紫外胶在固化的过程中体积会发生变化，会将透镜拉离原来位置，造成同轴度的极大偏差。另外，光反馈组件因热胀冷缩也会使扩束镜的位置变化，在不同的温度环境下使同轴度出现差异。
可以在光反馈组件与扩束镜中间增加一个金属机械件，使扩束镜固定在机械件上，杜绝因光反馈组件热胀冷缩带来的同轴度偏差；在扩束镜或准直镜的出光面一侧增加一个与外壳相连的金属机械件将透镜牢牢压住，可以避免胶固化时透镜平移。
3 机械器件分析及优化
LD、耦合透镜均是通过机械件定位，如果LD或耦合透镜装歪、装偏均会造成泵浦光打在晶体内的位置不在模组的机械轴线上，进而造成晶体出光平移。
有些尺寸较小的激光模组，泵浦源支架夹持部分过小（有些宽度小于1 mm），在将其夹持在调试工装上时，很难保证其定位是准确的，这种情况下制作出来的产品，同轴度会出现很大偏差。
激光模组产品各机械组件间相互连接，较多采用螺纹连接和过盈配合两种方式：采用螺纹连接时，螺纹同轴度偏差或定位面选择不当均会直接造成激光模组的同轴度偏差；采用过盈配合时，过盈量过大、装配工装定位不准或磨损也会直接造成激光模组的同轴度偏差。模组外壳本身的偏差也会直接影响最终产品的同轴度。
装LD和装耦合透镜均需要设计专用工装，工装必须能保证装配件的上下两部分准确定位；另外对于夹持部分过小的器件，在模组设计时应将夹持方案考虑周全，如必须这样设计，则需要专门制作夹持定位件（必要时可改变定位位置），将小器件定位在定位件上后再进行后期加工。在做激光模组机械设计时，应考虑减少机械件的数量及配合次数；采用过盈配合的设计也可以考虑采用过渡配合或间隙配合点胶的方式；必须保证机械件本身的质量，提高加工精度，尤其是要保证机械件的同轴度、平面度和粗糙度。
对于同轴度要求极高的模组，可以采用车外壳方法，具体做法为：将模组夹持在装有可机械调整同轴度工装的车床上，对外壳进行再次加工，将外壳车到符合要求为止。
4 工装分析及优化
1）绿光激光模组制作过程中，常用的模组夹持方法为泵浦源支架外圆定位，用螺柱将模组定位在圆形槽或V型槽上（由于定位更好，V型槽更常用），由于固定V型槽工装的桌子很容易移动位置或桌面变形（温度变化、受潮、受压等），已经校对好的光学标靶不再准确，若不经常校对，会出现批量同轴度不良。
将桌子固定或采用光学平台可以在一定程度上改善这一现象，若想从根本上解决问题，可以建立在线校对系统，一种方法是在V型槽工装内部埋入一个激光模组（红光更好），使V型槽工装标准位置与红光模组指示位置固定且不受外因影响；另一种方法为采用旋转调试工装（见图4），模组夹持在模组卡盘上，模组卡盘与可旋转盘一体且可以随意旋转，内部用精密轴承保证模组卡盘的同轴度，通过接线柱给模组供电，底座可以固定在任何桌面上且不受桌面变动影响，制作过程中便可以直接读出在制模组的同轴度，另外，该工装也可以用于测试，克服了原有测试工装受电线限制无法任意转动的问题。
2）装扩束镜时，激光光斑会变得非常大，不易观察其中心点，目测的方法无法保证最终产品的同轴度，造成模组产品的一致性差，甚至出现很多不良品。
可以在激光光路上增加一个较大直径、焦距适当且与激光模组同轴的聚焦镜，这样激光光束会在接收屏上聚焦为一个较小的点，非常容易判定位置，另外，也可以将该聚焦镜与上面提到的旋转调试工装集成为一体。
5 结束语
上面虽然分析了影响绿光激光模组同轴度的三个方面，并给出了切实可行的优化方案，但仍有很多因素会影响到同轴度这一参数，例如：激光出光模式的变化，需要我们从LD、晶体等原材料、电路控制的稳定性等诸多方面去控制。
参考文献
[1]周炳坤，高以智，等.激光原理[M].北京：国防工业出版社，2009.
[2]赵圣之.非线性光学[M].济南：山东大学出版社，2007.
[3]李适民，黄维玲.激光器件原理与设计[M].北京：国防工业出版社，1998.
[4]周曹，乔川，等.半导体激光器模组的设计[J].红外，
2009（1）.