CN103515834A - 一种微型激光模组的封装方法 - Google Patents
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Abstract
一种微型激光模组的封装方法。本发明提供了一种微型激光模组的制作方法，包括：步骤1，将一个激光晶体和一个非线性晶体以及一个或者多个定距元件通过光胶或者胶合的方法结合在一起，以形成第一结构体；步骤2，通过焊接或者胶合的方式将第一结构体装配在一个导热衬底上，以形成第一激光模组。本发明将激光晶体和非线性晶体分离地固定在热导衬底上形成激光模组，同时通过若干定距元件来分别调节腔长和非线性晶***置以优化激光模组的工作性能，因而在缩小激光模组的体积的同时保证了较高的工作性能。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，更具体地，涉及一种微型激光模组的制作方法。
背景技术
近来，激光显示技术由于需求的急剧增长而吸引了大量的关注。但是，缺少高亮度的绿光激光光源成为限制激光显示市场成长的一个关键问题。虽然红色和蓝色的半导体二极管已经成熟并且在显示设备中得到广泛应用，并且最近绿色半导体激光器技术已经取得了一定的进展，但是已报道的研究结果还远远不能满足激光显示的要求。半导体绿色激光器距离批量的商业化应用还有一段较长的距离。因此，低成本微型绿光光源成为目前激光显示产业发展的技术瓶颈。为此，为推动激光显示产业的发展，各国的研究人员正全力进行绿光激光器的研究。除了从半导体激光器直接产生绿光外，当前最常用也最成熟的获得绿色激光的技术是使用非线性光学晶体将全固态激光器产生的1064nm的红外光倍频为532nm的绿光。倍频绿光激光器通常分为单通倍频和腔内倍频两种类型，单通倍频由于需要的非线性光学晶体长，体积大，并且温度控制要求严格，不适合应用于消费类产品中。当前开发激光显示用绿光激光器主要集中在腔内倍频的结构上。
对于用于倍频技术的非线性晶体来说，目前国际/国内上商用的二极管泵浦全固态(DPSS)绿光激光器主要采用的是KTP或LBO这两种非线性晶体。其中KTP晶体由于非线性系数较大、价格低廉而在市场上有广泛的应用。但使用KTP晶体的DPSS绿光技术存在两种缺陷，一是灰迹效应导致高功率下使用寿命的不稳定性从而只能应用在低功率绿光激光器。抗灰迹的KTP尽管已有商品化的产品，但价格昂贵。二是其绿光输出的偏振态会随着温度的变化而变化，这种变化在使用LCOS(Liquid Crystal on Silicon)做为显示面板的时候，会引起严重的功率变化问题。LBO晶体的抗损伤阈值高，可以用于产生出高功率的绿光，但是由于LBO晶体非线性系数小，因此即使在激光显示所需要的中小功率的绿光激光器中，所采用的晶体长度往往也要大于10毫米，这使得基于LBO技术的激光器体积太大而不能够应用于激光显示行业。另外基于LBO和KTP晶体的绿光激光器的价格比激光显示行业所能够接受的价格高出几十倍。因此激光显示产业迫切需求紧凑、低成本、高效率、高输出功率的绿光激光器。近年来，由于周期性极化技术的不断发展，基于准相位匹配(QPM)的各种周期性极化晶体被广泛用于倍频或其他波长变换领域。其中掺氧化镁周期性极化反转铌酸锂(MgO:PPLN)由于具有抗损伤阈值高、非线性系数大、成本低并且适合大规模工业化生产等优点而被认为是激光显示产业需要的紧凑高效的绿光激光器的最佳选择。
从结构上来说，通过激光晶体和非线性晶体通过胶合或者光胶技术结合而成的微芯片结构具有体积小成本低的特点，但基于KTP晶体的微芯片会受制于走离角和灰迹效应的影响，仅适合于产生小于100mW的绿光，并且成本较高；尽管基于MgO:PPLN的微芯片能够产生200mW以上的绿光，并且通过减小MgO:PPLN晶体的长度能够获得较大的温度冗余，但却依然无法满足便携式激光投影装置急需的300-1000mW之间的、高效率、小体积的要求。并且，为了优化DPSS激光器的性能，DPSS激光器的谐振腔需要精心选择，但是对于基于胶合或者光胶技术的微芯片D PSS激光器来说，其谐振腔没有可以调节的余量。虽然通过分立的激光晶体和非线性晶体组合而成的DPSS激光器可以产生大于1W的绿光，但这些高效的分立式的DPSS绿色激光器需要复杂的封装结构才能实现，例如，在激光封装中要使用到激光二极管、聚焦镜、激光晶体，非线性晶体和输出耦合镜等元件。因此，想要实现低成本地大批量制造如此复杂的绿色激光装置当前是不现实的。此外，用于产生绿色激光的分立式DPSS激光器结构具有较大的体积，并不适用于激光显示领域。
发明内容
本发明旨在提供一种激光模组的制作方法，以解决现有技术中激光模组体积大，成本高，封装复杂的问题。
为解决上述的技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种激光模组的制作方法，包括：步骤1，将一个激光晶体和一个非线性晶体以及一个或者多个定距元件按照一定的顺序结合在一起以形成第一结构体；步骤2，将所述第一结构体装配在衬底上，以形成一个激光模组。
进一步地，在步骤1中，将定距元件通过光胶或胶合的方式与激光晶体和/或非线性晶体连接。
进一步地，在步骤2中，将第一结构体通过焊接或者胶合的方式与衬底连接。
进一步地，使用一个定距元件时，其位置可以位于激光晶体和非线性晶体之间，或者非线性晶***于激光晶体和定距元件之间，或者激光晶***于非线性晶体和定距元件之间。
进一步地，使用两个定距元件时，其中一个定距元件位于激光晶体和非线性晶体之间，另外一个位于激光晶体之前，或者位于非线性晶体之后。
进一步地，使用三个定距元件时，其中一个定距元件位于激光晶体和非线性晶体之间，另外两个定距元件分别位于激光晶体之前和非线性晶体之后。
进一步地，衬底是导热衬底。
进一步地，非线性晶体可以是掺氧化镁的PPLN，PPLT，PPSLT，PPKTP，KTP，BBO，BIBO或LBO。
进一步地，非线性晶体中掺杂可以是摩尔百分含量为5％的氧化镁。
进一步地，激光晶体可以是掺钕钒酸钇、掺钕钒酸钆或掺钕钇铝石榴石。
进一步地，激光晶体中掺杂可以是分子百分含量为0.5-3％的Nd3+离子。
进一步地，定距元件可以是与激光晶体相同的材料，或者与非线性晶体相同的材料，也可以是其它材料。
进一步地，激光晶体的长度为0.5-5mm，非线性晶体的长度为0.5-5mm，定距元件的长度为0.5-10mm。
进一步地，定距元件包括两个平行的结合面，激光晶体和非线性晶体分别与一个结合面连接，以使激光晶体和所述非线性晶体的入射面及出射面之间相互平行且与激光束的方向垂直。
本发明将激光晶体和非线性晶体一起固定在热导型衬底上以形成激光模组，同时通过若干定距元件来分别调节腔长和非线性晶***置以优化激光模组的工作性能，因而在缩小激光模组的体积的同时保证了较高的工作性能。通过本发明，我们将能同时优化激光晶体、非线性晶体和激光谐振腔的长度，使激光模组获得最优的输出特性。
附图说明
构成本申请的一部分附图仅用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示意性示出了本发明中的激光模组的制作方法的流程图；
图2示意性示出了本发明中的未安装衬底时的第一个实施例的示意图；
图3示意性示出了本发明中的未安装衬底时的第二个实施例的示意图；
图4示意性示出了本发明中的未安装衬底时的第三个实施例的示意图；
图5示意性示出了安装了衬底时的激光模组的结构示意图；
图6示意性示出了安装了金属壳体时的激光模组的结构示意图；
图中附图标记：10、第一激光模组；11、激光晶体；12、非线性晶体；13、定距元件；14、衬底；15、粘结层；20、金属壳体。
具体实施方案
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明提供了一种激光模组的制作方法，如图1所示，制作方法包括：
步骤1，将激光晶体11和非线性晶体12通过一个或者多个定距元件13固定以形成第一结构体。具体地说，可将定距元件13通过光胶或者胶合的方式与激光晶体11和/或非线性晶体12连接。在此步骤中，需要仔细地将激光晶体11、非线性晶体12和定距元件13对齐，以便使激光晶体11和非线性晶体12的所有与激光束相垂直的面都处于平行状态，以形成高质量的激光谐振腔。
在图2(a)所示的实施例1中，一个包括两个平行的结合面的定距元件13，被放置于激光晶体11和非线性晶体12之间，激光晶体11和非线性晶体12分别与一个结合面连接，以使激光晶体11和非线性晶体12的入射面及出射面之间相互平行且与激光束的方向垂直。在图2(b)所示的实施例1中，非线性晶体12被放置于激光晶体11和定距元件13之间，激光晶体11和定距元件13分别与非线性晶体12的一个结合面连接。在图2(c)所示的实施例1中，激光晶体11被放置于定距元件13和非线性晶体12之间，定距元件13和非线性晶体12分别与激光晶体11的一个结合面连接。
在此实施例中，当波长为808n m的红外激光作为泵浦源入射到激光晶体11中后，激光晶体11中的稀土离子受到激发将产生1064nm的红外光辐射，而此结构中平行的输入和输出面所形成的激光谐振腔将这些红外光辐射限制于激光腔内，加强为1064nm的红外激光。位于激光谐振腔内部的非线性晶体12则再次将1064nm的激光通过倍频技术转化成532nm的绿色激光。由808nm泵浦激光转化到1064nm的红外激光的效率主要取决于激光晶体11的长度和整体激光谐振腔的长度优化，而从1064nm的红外激光转化到532nm的绿色激光的效率则取决于非线性晶体的长度和其位于激光谐振腔内的位置优化。在传统的微芯片结构二极管泵浦腔内倍频固体激光器中，这4个长度通常无法同时得到优化，而通过本发明中，通过优化在优化选取激光晶体11和非线性晶体12的长度后，通过优化定距元件13的长度，以及摆放顺序，我们能够同时优化影响整体激光器效率的4个长度，从而得到最优的工作特性。
在图3(a)所示的实施例2中，两个定距元件13和13′被使用，其中一个定距元件13被放置于激光晶体11和非线性晶体12之间，激光晶体11和非线性晶体12分别于其一个结合面连接，另一个定距元件13′被放置于非线性晶体12之后，与非线性晶体12的另外一个结合面结合。在图3(b)所示的实施例2中，其中一个定距元件13被放置于激光晶体11和非线性晶体12之间，激光晶体11和非线性晶体12分别于其一个结合面连接，另一个定距元件13′被放置于激光晶体11之前，与激光晶体11的另外一个结合面结合。
在图4所示的实施例3中，三个定距元件13被使用，其中一个定距元件13位于激光晶体11和非线性晶体12之间，另外13′，13″两个定距元件分别位于激光晶体11之前和非线性晶体13之后。
在以上两个实施例中，当波长为808n m的红外激光作为泵浦源入射到激光晶体11中后，激光晶体11中的稀土离子受到激发将产生1064n m的红外光辐射，而此结构中平行的输入和输出面所形成的激光谐振腔将这些红外光辐射限制于激光腔内，加强为1064nm的红外激光。位于激光谐振腔内部的非线性晶体12则再次将1064nm的激光通过倍频技术转化成532nm的绿色激光。由808nm泵浦激光转化到1064nm的红外激光的效率主要取决于激光晶体11的长度和整体激光谐振腔的长度优化，而从1064nm的红外激光转化到532nm的绿色激光的效率则取决于非线性晶体的长度和其位于激光谐振腔内的位置优化。在传统的微芯片结构二极管泵浦腔内倍频固体激光器中，这4个长度通常无法同时得到优化，而通过本发明中，通过优化在优化选取激光晶体11和非线性晶体12的长度后，通过优化定距元件13的长度，以及摆放顺序，我们能够同时优化影响整体激光器效率的4个长度，从而得到最优的工作特性。和使用1个定距元件13的结构相比，同时使用多个定距元件13能够提供为优化结构提供更多的自由度，并且能够将非线性晶体12放置于腔内1064nm光斑最小处，从而得到最大的倍频效率。
在一个优选的实施例中，在步骤1之前还包括准备激光晶体11、非线性晶体12和定距元件13的步骤。具体地说，该步骤包括对激光晶体11、非线性晶体12和定距元件13的表面进行抛光、镀膜和清理。优选地，激光晶体11的入射面上镀有增透膜(优选地，该增透膜应用于波长为808nm的激光)和高反膜(优选地，该高反膜应用于波长为1064nm的激光)，激光晶体11的出射面上镀有防反膜(优选地，该防反膜应用于波长为1064nm的激光)和高反膜(优选地，该高反膜应用于波长为532nm的激光)。进一步地，非线性晶体12的入射面上镀有防反膜(优选地，该防反膜应用于波长为1064nm和532nm的激光)，非线性晶体12的出射面上镀有高反膜(优选地，该高反膜应用于波长为1064nm的激光)和增透膜(优选地，该增透膜应用于波长为532nm的激光)。定距元件13的两个结合面上也应该根据放置的位置不同而镀上不同的反射和/或透射膜。
由于热透镜效应，平平式谐振腔结构实际上相当于平凹式腔结构。为了获得更高功率的激光，需要加长谐振腔的长度。因此，为了确保本发明中的激光模组具有较高的输出功率和转换效率，需要对谐振腔的长度进行优化设计。本发明中的激光模组的谐振腔的长度可以通过对激光晶体11、非线性晶体12、和定距元件13的长度进行控制。在一个优选的实施例中，激光晶体11的长度为0.5-5mm，非线性晶体12的长度为0.5-3mm，定距元件的长度为0.2-8mm，这样谐振腔的长度被控制在1.2-16mm之间。同时为了确保获得最高的转换效率，非线性晶体应该放置于腔内最优化的位置(光束直径最小处)，本发明中激光模组内非线性晶体的位置可以通过对激光晶体11、非线性晶体12、和定距元件13不同的连接顺序来调节，已达到最高的转换效率。
需要说明的是，本发明作为一个优选的实施例，激光晶体11采用的是1％Nd3+离子掺杂的是掺钕钒酸钇(Ncodymium doped Yttrium Orthovanadate，Nd:YVO4)晶体。此外，激光晶体11还可以是掺钕钒酸钆Neodymium Doped Gadolinium Orthovanadate(Nd:GdVO4)、或掺钕钇铝石榴石Neodymium Doped Yttrium Aluminium Garnet(Nd:YAG)。进一步地，激光晶体11中Nd3+离子的分子百分含量可以根据不同的功率(例如绿光的功率)来确定，可以为0.5％、1％、2％或3％等。
需要说明的是，本发明作为一个优选的实施例，非线性晶体12采用的是掺杂有摩尔百分含量为5％的氧化镁的周期性极化铌酸锂(MgO doped Periodically Poled LithiumNiobate，MgO:PPLN)晶体。当然，非线性晶体12还可以是周期性极化钽酸锂(PeriodicallyPoled Lithium Tantalate，PPLT)晶体，周期性极化近化学计量比钽酸锂(Periodically PoledNear-stoichiometric Lithium Tantalate，PPSLT)晶体，周期性极化磷酸氧钛钾(Periodically Poled Potassium Titanyl Phosphate，PPKTP)晶体，磷酸氧钛钾(Potassium Titanyl Phosphate，KTP)晶体，偏硼酸钡(Beta Barium Borate，BBO)晶体，硼酸铋(Bismuth Borate，BIBO)晶体或三硼酸锂(Lithium Triborate，LBO)晶体。
需要说明的是，本发明在一个优选的实施例中，定距元件13可以采用的是与非线性晶体12相同的掺杂有摩尔百分含量为5％的氧化镁的铌酸锂(Lithium Niobate)晶体。当然，定距元件13还可以采用与激光晶体11材质相同的掺钕钒酸钇(Neodymiu m dopedYttrium Orthovanadate，Nd:YVO4)晶体，以及其他任何对1064nm激光和532nm激光有良好透射率的光学材料。
需要说明的是，本发明中，可以将不同材料的激光晶体11和非线性晶体12进行组合，以获得不同形式的激光模组。另外，激光晶体11中的Nd3+离子含量与非线性晶体12中的氧化镁含量也是可以根据需要而确定和组合的。更进一步，激光晶体11和非线性晶体12中掺入的物质不仅限于Nd3+离子和氧化镁，也可以是本领域技术人员常用的其它物质。
步骤2，将步骤1得到的第一结构体装配在衬底14上。优选地，衬底14是导热材料制成的，优选地，导热材料可以是硅、蓝宝石或金属(例如铜、铝等)等。可以将第一结构体通过粘合或焊接的方式与衬底14连接，还可以采用本领域已知的其它方式。当第一结构体固定到衬底14上后，上述的所有面都应该处于平行状态。
如图5所示，激光晶体11、非线性晶体12、定距元件13与衬底14之间通过粘结层15连接。粘结层15可以是任何导热胶或低温金属焊层。例如，导热胶可以是硅树脂、光环氧树脂或银胶等。当采用低温金属焊层时，激光晶体11、非线性晶体12和定距元件13的表面需要事先经过金属化处理。
特别地，在图6所示的实施例中，激光模组10封装在金属壳体20内，以达到更好的散热效果。金属壳体40还可对激光晶体11与非线性晶体12之间的间隙进行保护。金属壳体40可由铜、黄铜或铝等制成。
需要说明的是，本发明并不仅仅适应于用于绿色激光产生的倍频过程(例如二次谐波转换)，还适用于其它非线性光学过程(例如和频及分频)和其它波长的激光(例如蓝光)的产生。本发明中的定距元件13可以在激光晶体11和非线性晶体12固定在衬底14后移除。定距元件13除了可以通过光胶或者胶合的方式与可以在激光晶体11和非线性晶体12连接以外，还可以通过工艺设计直接生长在激光晶体11和非线性晶体12上。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种微型激光模组的封装方法，其特征在于，所述制作方法包括：
步骤1，将一个激光晶体(11)和一个非线性晶体(12)以及一个或者多个定距元件(13)按照一定的顺序结合在一起以形成第一结构体。
步骤2，将所述第一结构体装配在衬底(14)上，以形成一个激光模组。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述定距元件(13)通过光胶或胶合的方式与所述激光晶体(11)和/或所述非线性晶体(12)连接。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的结合在一起的激光晶体(11)、非线性晶体(12)和定距元件(13)通过焊接或者胶合的方式固定在所述衬底(14)之上。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，使用一个定距元件(13)，其位置可以位于激光晶体(11)和非线性晶体(12)之间。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，非线性晶体(12)位于激光晶体(11)和定距元件(13)之间。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，激光晶体(11)位于非线性晶体(12)和定距元件(13)之间。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，使用两个定距元件(13)，其中一个定距元件(13)位于激光晶体(11)和非线性晶体(12)之间，另外一个位于激光晶体(11)之前。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，使用两个定距元件(13)，其中一个定距元件(13)位于激光晶体(11)和非线性晶体(12)之间，另外一个位于位于非线性晶体(12)之后。
9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，使用三个定距元件(13)，其中一个定距元件(13)位于激光晶体(11)和非线性晶体(12)之间，另外两个定距元件(13)分别位于激光晶体(11)之前和非线性晶体(12)之后。
10.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述衬底(14)是导热衬底。
11.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的定距元件(13)可以是与激光晶体(11)相同的同质材料。
12.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的定距元件(13)可以是与非线性晶体(12)相同的同质材料。
13.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的定距元件(13)可以是其它材料。
14.根据权利要求1-9中任一项所述的制作方法，其特征在于，所述定距元件(13)包括两个平行的结合面，所述激光晶体(11)和所述非线性晶体(12)分别与一个所述结合面连接，以使所述激光晶体(11)和所述非线性晶体(12)的入射面及出射面之间相互平行且与激光束的方向垂直。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140115 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |