同轴型激光器的耦合对准与焊后偏移研究

摘要

影响同轴型激光器封装质量的因素主要有两个:对准耦合技术和激光焊接技术。对准耦合技术的核心在于运动平台的高精度定位和自动化快速对准，选择合适的对准单元运动准精度成为提高对准耦合技术的关键。激光焊接技术常用于光电子器件封装固定，但是焊后偏移会造成器件耦合功率的损失，降低器件封装效率和器件性能。针对以上问题，本文进行了以下四个方面的研究:
　　 1.基于半导体激光器与单模光纤的球透镜耦合模型，结合双异质结(DH)半导体激光器的远场光束特性的分析，给出了球透镜耦合效率与对准误差之间的关系，计算了1dB附加损耗所对应的耦合误差容忍度和0.1dB附加损耗对应的对准精度。运用蒙特卡洛的方法，分析了多项对准误差下的激光器与单模光纤耦合效率分布。
　　 2.设计了对准耦合专用夹具，具有良好的定心精度和快速装载与卸载的能力，并能提供适当的夹持力。针对重要零部件弹性夹头进行了结构参数设计，用有限元的方法进行建模仿真，验证了弹性夹头设计的有效性。
　　 3.基于APDL语言，建立了同轴型激光器焊接封装有限元模型，采用热-结构耦合分析方法，分析了三束激光在不同焊接参数下的焊后偏移。基于三光束焊接时焊点能量不平衡、焊点位置不对称和焊接光束离焦量不相等的情况进行分析，给出了不同参数影响下焊后偏移的大小和变化规律，得到了焊后偏移朝向焊点能量合成更大的方向的结论。
　　 4.搭建了同轴型激光器焊接封装系统，进行了激光焊接封装实验研究，分析了激光锤焊接参数不同时焊后偏移的变化规律，证明了基于有限元方法的三光束焊接焊后偏移方向特征分析的正确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源与意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题研究现状及意义

1．2 同轴型激光器焊接封装

1．2．1 半导体激光器与光纤耦合

1．2．2 激光焊接焊后偏移

1．3 论文主要研究内容和章节安排

第二章 半导体激光器与单模光纤耦合理论与实验

2．1 半导体激光器光束特性

2．2 半导体激光器与单模光纤球透镜耦合效率分析

2．2．1 耦合模型

2．2．2 耦合误差引起的耦合损耗分析

2．2．3 对准耦合实验

2．3 基于蒙特卡洛法耦合效率预估

2．4 本章小结

第三章 同轴型激光器封装对准耦合专用夹具

3．1 设计思路

3．2 对准耦合夹具总体设计

3．2．1 上夹具体设计

3．2．2 下夹具体设计

3．3 弹性夹头设计与分析

3．3．1 弹性夹头结构参数设计

3．3．2 弹性夹头力学分析

3．4 基于有限元的弹性夹头静力分析

3．5 本章小结

第四章 同轴型激光器焊后偏移特征理论分析

4．1 激光焊接及其主要参数

4．2 激光焊接有限元分析方法

4．2．1 热分析有限元

4．2．2 Ansys耦合场分析

4．3 同轴型激光器激光焊接模型

4．3．1 有限元模型

4．3．2 热源模型

4．3．3 材料属性

4．4 同轴型激光器焊接封装焊后偏移分析

4．4．1 焊接能量不均衡

4．4．2 焊点位置不对称

4．4．3 焊接离焦量不相等

4．5 本章小结

第五章 同轴型激光器焊后偏移分析与实验

5．1 封装组件

5．2 同轴型激光器焊接封装系统组建

5．3 不同焊接参数的激光锤与焊后偏移分析

5．3．1 激光锤能量与焊后偏移

5．3．2 激光锤脉冲宽度与焊后偏移

5．4 三光束焊接焊后偏移仿真实验验证

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果