CN104319629A - 基于vcsel的高功率半导体激光器及其vcsel激光器模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种VCSEL激光器模组，包括由多个VCSEL芯片组成的VCSEL芯片阵列和设置在VCSEL芯片阵列的出光面前方的内壁反射型光学传输器件；其中，VCSEL芯片阵列的出光面对经过目标物和内壁反射型光学传输器件反射回来的反射光线进行二次反射。该VCSEL激光器模组，依赖VCSEL芯片表面极高的反射率和内壁反射型光学传输器件，实现了高效率的激光传输，并对目标物折回的反射光进行高效的二次利用，充分提高了激光的利用率。这种结构可以大幅提高激光的出射效率和目标物的吸收率，并可以有效汇聚光束，进一步提高出射口的光学功率密度。本发明同时提供了包括上述VCSEL激光器模组的高功率半导体激光器，这种激光器在激光医疗和工业激光加工等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器模组，尤其涉及一种使用垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL)作为光源的激光器模组；同时涉及一种基于VCSEL激光器模组的高功率半导体激光器，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
在过去二十年间，在高功率半导体激光器领域，基于GaAs材料的边发射半导体激光器一直占据统治地位，并广泛应用于工业、医疗、科研等领域。然而，边发射半导体激光器却存在其致命的缺陷，虽然其预期寿命长达数万小时，但是在脉冲状态下，光学灾变性损坏几率极大，对寿命影响严重，所以，其实际使用寿命远不能达到理想的预期寿命。因此，需要提供一种新的可用于工业领域的半导体激光器。
在半导体激光器领域，根据发光方向与激光芯片所在外延片平面的关系，激光器可划分为垂直腔面发射激光器(Vertical CavitySurface Emitting Laser，简称VCSEL)与边发射半导体激光器(EdgeEmitting Laser Diode)两类。其中，垂直腔面发射激光器的发光方向垂直于外延片方向，从反应区的顶面射出，而边发射半导体激光器的发光方向平行于外延片方向，从反应区的边缘射出。垂直腔面发射激光器(VCSEL)与边发射半导体激光器的结构可参见图1所示的示意图。
边发射半导体激光器和VCSEL分别具有如下特点：边发射半导体激光器是线性光源，其在垂直方向和水平方向的发散角相差极大(垂直方向全角约在60～70度左右，水平方向全角约在7～10度左右)，并且其远场光强呈现高斯分布；而VCSEL是圆形光源，其发散角较小(发散角全角约为15～20度左右)，其远场光强近似平顶分布，能量均匀。因此，与边发射半导体激光器相比，VCSEL发射的光线更容易汇聚，并且在远场目标物上能量分布均匀。此外，与边发射半导体激光器相比，VCSEL还具有其他的优点，例如：具有较高的工作温度，预期寿命较长且故障率低，并且可以采用类似于LED工艺进行封装，封装工艺要求低。然而，传统的VCSEL由于相对较低的电光效率、较差的光学亮度，在高功率市场一直没有得到关注。
随着技术的进步，VCSEL逐渐实现了接近于边发射半导体激光器的高功率输出，同时由于其独特的结构，其应用中存在的诸多优点，如高可靠性、耐高温、光学分布均匀、表面高反射率等等。如果对VCSEL进行改进，使其可以逐渐应用于部分工业应用领域，将会给半导体激光器领域带来一场全新的革命。
垂直腔面发射激光器(VCSEL)与边发射半导体激光器的具体性能对比请参见表1。
注：*FIT率即每10亿个器件工作小时中所出现的故障数
表1边发射半导体激光器与VCSEL的结构性能对比
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种可以实现高效光传输和汇聚的VCSEL激光器模组。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括上述VCSEL激光器模组的高功率半导体激光器。
为了实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案：
一种VCSEL激光器模组，包括多个VCSEL芯片组成的VCSEL芯片阵列和设置在所述VCSEL芯片阵列的出光面前方的内壁反射型光学传输器件；所述VCSEL芯片阵列的出光面对经过目标物和所述内壁反射型光学传输器件反射回来的反射光线进行二次反射。
其中较优地，所述内壁反射型光学传输器件的出射口面积小于入射口面积。
其中较优地，所述内壁反射型光学传输器件的入射口全部覆盖且仅覆盖所述VCSEL芯片阵列的发光区域。
其中较优地，所述VCSEL芯片阵列中，多个VCSEL芯片在一个平面内紧密排列，其出光面组成一个平面出光面。
或者，其中较优地，所述VCSEL芯片阵列中，多个VCSEL芯片相互成一定角度排列，多个VCSEL芯片的出光面构成一个以目标物为圆心的近似弧形的多边形出光面。
其中较优地，所述内壁反射型光学传输器件是内壁抛光的反射镜筒。
或者，其中较优地，所述内壁反射型光学传输器件是基于内壁全反射的导光锥。
其中较优地，所述导光锥的入射口和出射口蒸镀光学增透膜。
一种高功率半导体激光器，包括上述的VCSEL激光器模组。
本发明提供的VCSEL激光器模组，采用内壁反射型光学传输器件对VCSEL芯片阵列的发射光线进行有效传输，使其照射在目标物上；并通过内壁反射型光学传输器件，将从目标物反射回来的光线反射至VCSEL芯片阵列的出光面，VCSEL芯片阵列的出光面对经过目标物和所述内壁反射型光学传输器件反射回来的反射光线进行二次反射。由于VCSEL芯片阵列的表面具有极高的反射率，尤其是VCSEL芯片所占的面积上，反射率高达99.5％甚至以上，所以该VCSEL芯片阵列表面可以将目标物折回的反射光线进行高效的二次利用，充分提高了激光的利用率。
该VCSEL激光器模组可以大幅度提高激光的出射效率和目标物的吸收率，并且通过使用锥形的内壁反射型光学传输器件对出射光线进行有效汇聚，可以进一步提高出射口的光学功率密度。结合VCSEL本身具有较长的使用寿命，并且，其在脉冲状态下表现出高的可靠性，将上述VCSEL激光模组应用于高功率半导体激光器，具有极大的现实意义。本发明提供的包括上述VCSEL激光器模组的高功率半导体激光器在激光医疗和工业激光加工等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是垂直腔面发射激光器和边发射激光器的结构示意图；
图2是本发明的第一实施例中，VCSEL激光器模组的结构示意图；
图3是VCSEL芯片阵列中，多个VCSEL芯片的第一种排列方式示意图；
图4是VCSEL芯片阵列中，多个VCSEL芯片的第二种排列方式示意图；
图5是本发明的第二实施例中，VCSEL激光器模组的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。
本发明提供的高功率半导体激光器，包括如图2所示的VCSEL激光器模组。该VCSEL激光器模组，包括多个VCSEL芯片组成的VCSEL芯片阵列1和设置在VCSEL芯片阵列1的出光面前方的内壁反射型光学传输器件2。通过将VCSEL芯片阵列1和内壁反射型光学传输器件2放置在目标物3的前方，然后开启VCSEL激光器，实现VCSEL激光器模组对目标物3的激光消融作用。其中，内壁反射型光学传输器件2可以对VCSEL芯片阵列1的发射光线进行有效传输，使其集中照射在目标物3上；并且，内壁反射型光学传输器件2，可以将从目标物3反射回来的光线反射至VCSEL芯片阵列1的出光面上，VCSEL芯片阵列1的出光面对经过目标物3和内壁反射型光学传输器件2反射回来的反射光线可以进行高效的二次反射。
具体地说，如图3和图4所示，在VCSEL芯片阵列1中，单个VCSEL激光器芯片10直接焊接于散热衬底上，形成一个出光平面；多个VCSEL芯片10紧密排列，形成一个更大的出光面；多个VCSEL芯片10之间通过金丝11焊接，并在整个出光面外侧连接有阴极12和阳极13。VCSEL本身的性质决定了这个出光面对于激光具有极高的反射率，尤其是VCSEL芯片10所占的面积上，反射率高达99.5％甚至以上。对于反射率相对较低的间隙部分，通过VCSEL芯片10更为紧密的排列，可以使其减小到极小的程度。因此，VCSEL芯片10的出光面对于反射到其表面的反射光线具有较高的二次利用率。
结合图2至图5可知，在VCSEL芯片阵列1中，多个VCSEL芯片10可以在一个平面内紧密排列，从而使其出光面紧密排列成一个平面出光面，也可以多个VCSEL芯片10相互成一定角度排列，使其出光面构成一个以目标物3为圆心的近似弧形的多边形出光面。其中，多个VCSEL芯片各自以目标物3为圆心，等距离、等角度排列。VCSEL芯片阵列1近似弧形的多边形出光面的结构示意图参见图5。
内壁反射型光学传输器件2可以选用基于内壁全反射的导光锥(可以为平行光锥或梯台型光锥等光学器件)，利用内壁全反射方式实现激光从芯片发光区到目标物3的传输和汇聚。导光锥的折射率和透过率越高越好，导光锥的长度选择越短越好，但要注意导光锥角度的选择，用于避免多次全反射后因入射角度发生改变而溢出全反射角范围。为了提高导光锥的透光效率，导光锥的入射口和出射口可以分别蒸镀光学增透膜。
内壁反射型光学传输器件2还可以选用内壁抛光的反射镜筒，利用内壁镜面反射方式实现激光从芯片发光区到目标物3的传输和汇聚。因此，反射镜筒的内壁反射率越高越好，角度的选择越小越好，长度的选择也越短越好。
内壁反射型光学传输器件2以平行的内壁反射最佳，或者形成出射口大于入射口的开口角度，亦有利于激光的充分射出，其中，开口角度以小于15度为宜。如果需要提高输出口位置的光功率密度，还可以做从入射口到出射口的小角度收缩，但要注意对于平面出光面，收缩角度越大，则对出射效率影响越大。另外，如果选择一个出射口面积小于VCSEL芯片10发光区面积的内壁反射型光学传输器件2，则可以一定程度上提高目标物3表面的光学功率密度。需要说明的是，对于平面出光面，可以选择上述几种设计方案中的任意一种，即可以选择平行的内壁反射、出射口大于入射口的设计或者出射口小于入射口的设计。而对于近似弧形的多边形出光面，最好选择出射口小于入射口的设计，从而可以进一步提高目标物3表面的光学功率密度。
以内壁反射型光学传输器件2靠近目标物3的一端为出射口，以内壁反射型光学传输器件2靠近VCSEL芯片阵列1的一端为入射口。内壁反射型光学传输器件2的入射口全覆盖且仅覆盖VCSEL芯片阵1的发光区域，并尽可能减少缝隙以及避免覆盖VCSEL芯片的不发光区域。例如，在图3所示的VCSEL芯片阵列1的表面，内壁反射型光学传输器件2的入射口可以仅覆盖中间6块VCSEL芯片10的出光面(即图3中虚线框内的区域)，在图4所示的VCSEL芯片阵列1的表面，内壁反射型光学传输器件2的入射口可以仅覆盖紧密排列的4块VCSEL芯片10的出光面(即图4中虚线框内的区域)，而不是覆盖如图3和图4所示的VCSEL芯片阵列1的整个表面。
这样，VCSEL芯片发光区和该内壁反射型光学传输器件2构成了一个在目标物3一端开口的、内壁具有极高反射率的腔体。在这个腔体中，VCSEL本身发出的激光，以及目标物反射回的激光，除因内部轻微吸收、缝隙逃逸以及全反射溢出(如果使用导光锥的话)造成的少量光学损失之外，绝大部分光能将从内壁反射型光学传输器件2靠近目标物3一端的出射口输出并被目标物3充分吸收。
实际使用中，内壁反射型光学传输器件2入射口紧密覆盖在VCSEL芯片10的发光区，二者应该尽可能接近，以避免缝隙处的激光逃逸，同时对于VCSEL芯片10的非发光区域，应尽可能置于光学器件的外侧，这样可以充分利用VCSEL出光面大于99.5％的反光率。内壁反射型光学传输器件的出射口尽可能靠近目标物3表面，具体没有强制性距离要求，但越近的距离和越小的缝隙，越能够充分提高目标物的激光吸收效率。
在大功率应用场合，一般边发射激光器往往在垂直方向依次叠加封装，实现较大的总功率输出。多个边发射激光器之间需要保证一定的间隙，以便于封装和散热。这部分间隙一般包括空隙和导热体。这些间隙和每个芯片一起构成了整个激光器的出光面。该出光面对激光的反射率很低，往往吸收反射光，而不是将反射光反射回去。因此，在很多医疗与工业应用场合中，边发射激光器一般只适用于对目标物的一次性辐射，而对目标物折回的反射光的利用率很低。而在这一方面，由于VCSEL芯片阵列的表面具有极高的反射率，尤其是VCSEL芯片所占的面积上，反射率高达99.5％甚至以上，VCSEL激光器结合特定的光学传输器件表现出了更为优异的特性。该VCSEL模组中，VCSEL芯片阵列表面可以将目标物折回的反射光线进行高效的二次利用，充分提高了激光的利用率，可以大幅提高激光的出射效率和目标物的吸收率，并可以进一步提高出射口的光学功率密度。
综上所述，本发明提供的VCSEL激光模组依赖VCSEL芯片表面极高的反射率和内壁反射型光学传输器件，实现了高效率的激光传输，并对目标物折回的反射光进行了高效的二次利用，充分提高了激光的利用率。这种结构可以大幅提高激光的出射效率和目标物的吸收率，并可以有效汇聚光束，进一步提高出射口的光学功率密度。由于VCSEL本身具有较长的使用寿命，并且，其在脉冲状态下表现出高的可靠性，将上述VCSEL激光模组应用于高功率半导体激光器领域，具有极大的现实意义。这种包括VCSEL激光器模组的高功率半导体激光器，结构简单，成本低廉，便于应用实施，在激光医疗和工业激光加工等领域具有广阔的应用前景。
以上对本发明所提供的基于VCSEL的高功率半导体激光器及其VCSEL激光器模组进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
Claims (9)
1.一种VCSEL激光器模组，其特征在于包括多个VCSEL芯片组成的VCSEL芯片阵列和设置在所述VCSEL芯片阵列的出光面前方的内壁反射型光学传输器件；
所述VCSEL芯片阵列的出光面对经过目标物和所述内壁反射型光学传输器件反射回来的反射光线进行二次反射。
2.如权利要求1所述的VCSEL激光器模组，其特征在于：
所述内壁反射型光学传输器件的出射口面积小于入射口面积。
3.如权利要求1或2所述的VCSEL激光器模组，其特征在于：
所述内壁反射型光学传输器件的入射口全部覆盖且仅覆盖所述VCSEL芯片阵列的发光区域。
4.如权利要求1或2所述的VCSEL激光器模组，其特征在于：
所述VCSEL芯片阵列中，多个VCSEL芯片在一个平面内紧密排列，其出光面组成一个平面出光面。
5.如权利要求1或2所述的VCSEL激光器模组，其特征在于：
所述VCSEL芯片阵列中，多个VCSEL芯片相互成一定角度排列，多个VCSEL芯片的出光面构成一个以目标物为圆心的近似弧形的多边形出光面。
6.如权利要求1或2所述的VCSEL激光器模组，其特征在于：
所述内壁反射型光学传输器件是内壁抛光的反射镜筒。
7.如权利要求1或2所述的VCSEL激光器模组，其特征在于：
所述内壁反射型光学传输器件是基于内壁全反射的导光锥。
8.如权利要求7所述的VCSEL激光器模组，其特征在于：
所述导光锥的入射口和出射口蒸镀光学增透膜。
9.一种高功率半导体激光器，其特征在于包括权利要求1～8中任意一项所述的VCSEL激光器模组。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20151009 Address after: 065000 Langfang city of Hebei province Sanhe Yanjiao Development Zone north loop aeonmed Industrial Park G Building 5 floor Applicant after: Sanhe Laser Technology Co., Ltd. Address before: 100094 Beijing city northwest of Haidian District Wang Tun Dian Industrial Zone No. 9 Building No. 1 hospital 3 Applicant before: Li Delong |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150128 |