CN108092130B - 一种半导体激光器封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器封装结构。该激光器封装结构中的慢轴准直镜和/或耦合镜为凸凹透镜。本发明通过将半导体激光器封装结构中的透镜设置为凸凹透镜，减少了激光器芯片到慢轴准直镜之间的距离，从而减少了半导体激光器的封装体积；同时将耦合镜设置为凸凹透镜，也减少了通过耦合镜的耦合光束输入光纤的距离。

Description

一种半导体激光器封装结构
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种半导体激光器封装结构。
背景技术
近年来，随着半导体激光器输出功率的增加，由于要容纳更多的光学元件和更大的散热结构导致封装体积不断增大，限制了半导体激光器在诸多领域的应用。现有技术中，大多采用优化光学元件的排布顺序，或者激光器芯片在空间上采用双层或者多层布置充分利用空间的形式，或者舍去激光器封装机械结构的一些定位、散热等辅助机械结构的形式，达到缩小封装体积的目的。但上述几种方法中分别存有激光器的整体散热性差，稳定性差的问题。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，提出了本发明的一种半导体激光器的封装结构，以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
依据本发明的一个方面，提供了一种半导体激光器封装结构，
该激光器封装结构中的慢轴准直镜和/或耦合镜为凸凹透镜。
可选地，
所述凸凹透镜为单体透镜；
或者，
所述凸凹透镜由一个或多个凸透镜和一个或多个凹透镜组成。
可选地，
所述凸凹透镜是玻璃材质的，或者是光学塑料材质的。
可选地，所述激光器的封装结构包括：N个激光器、N个快轴准直镜、N个慢轴准直镜、N个反射镜和一个耦合镜，其中，所述N个慢轴准直镜和/或耦合镜为凸凹透镜，N为大于或等于1的自然数；
所述N个激光器、N个快轴准直镜、N个慢轴准直镜和N个反射镜均排列放置在阶梯底板上；
所述每个激光器前依次放置有快轴准直镜、慢轴准直镜和反射镜；
所述每个激光器发出的光束都分别经过对应放置的快轴准直镜和慢轴准直镜准直后，到达反射镜反射；所有反射的光束进入耦合镜聚焦后，耦合进入光纤。
可选地，所述激光器的封装结构还包括：2N个激光器、2N个快轴准直镜、N个第一组慢轴准直镜、N个第二组慢轴准直镜、2N个第一类反射镜、一个第二类反射镜、一个偏振分光片、一个玻片和一个耦合镜；其中，所述N个第一组慢轴准直镜均为凸凹透镜；所述N个第二组慢轴准直镜均为平凸透镜；所述凸凹透镜与所述平凸透镜的焦距相同，N为大于或等于1的自然数；
所述2N个激光器、2N个快轴准直镜和2N个第一类反射镜分别排列放置在上、下两层的阶梯底板上；
所述上层阶梯底板上的每个激光器前依次放置有快轴准直镜、第二组慢轴准直镜、第一类反射镜；所述上层阶梯底板上还放置有一个偏振分光片和一个玻片；
所述下层阶梯底板上的每个激光器前依次放置有快轴准直镜、第一组慢轴准直镜、第一类反射镜；所述下层阶梯底板上还放置有一个第二类反射镜；
所述下层阶梯底板上放置的激光器、快轴准直镜、第一组慢轴准直镜和第一反射镜嵌套在上层阶梯底板上的快轴准直镜和第二组慢轴准直镜之间的空间内；
所述上层阶梯底板上的每个激光器发出的光束都分别经过对应放置的快轴准直镜和第二组慢轴准直镜准直后，到达第一类反射镜进行反射；
所述下层阶梯底板上的每个激光器发出的光束都分别经过快轴准直镜和第一组慢轴准直镜准直后，经第一类反射镜反射后，再经第二类反射镜、玻片和偏振分光片与上层阶梯底板上第一类反射镜反射的光束进行偏振合束；所有合束后的光束经耦合镜聚焦后进入光纤。
可选地，所述激光器的封装结构还包括：2N个激光器、2N个快轴准直镜、N个第一组慢轴准直镜、N个第二组慢轴准直镜、N个反射镜和一个耦合镜；其中，所述N个第一组慢轴准直镜均为凸凹透镜；所述N个第二组慢轴准直镜均为平凸透镜；所述凸凹透镜与所述平凸透镜的焦距相同，N为大于或等于1的自然数；
所述2N个激光器、2N个快轴准直镜分别排列放置在上、下两层的阶梯底板上；所述第二组慢轴准直镜放置在阶梯底板的桥型结构上；所述第一组慢轴准直镜放置在下层的阶梯底板上；所述N个反射镜放置在上层的阶梯底板上；
所述上层阶梯底板上的每个激光器前依次放置有快轴准直镜、第二组慢轴准直镜、反射镜；
所述下层阶梯底板上的每个激光器前依次放置有快轴准直镜、第一组慢轴准直镜；
所述下层阶梯底板上放置的激光器、快轴准直镜、第一组慢轴准直镜嵌套在上层阶梯底板上的快轴准直镜和第二组慢轴准直镜之间的空间内；
所述上层阶梯底板上的每个激光器发出的光束都分别经过快轴准直镜和第二慢轴准直镜准直后，达到反射镜进行反射；
所述下层阶梯底板上的每个激光器发出的光束都分别经过快轴准直镜和第一组慢轴准直镜准直后，穿过阶梯底板上的桥型桥孔后，也到达上层阶梯底板上的反射镜进行反射，所有反射的光束进入耦合镜聚焦后，耦合进入光纤。
可选地，所述耦合镜为凸凹透镜。
本发明的技术方案通过将半导体激光器封装结构中的慢轴准直镜设置为凸凹透镜，减少了激光器芯片到慢轴准直镜之间的距离，从而减少了半导体激光器的封装体积；同时将耦合镜设置为凸凹透镜，也减少了通过耦合镜的耦合光束输入光纤的距离。
附图说明
图1为平凸透镜和凸凹透镜在相同焦距时的光学全长示意图；
图2为本发明一个实施例提供的一种透明的光学全长与折射率和曲率半径之间的对应关系图；
图3为现有技术中的一种半导体激光器封装结构俯视图；
图4为本发明一个实施例提供的一种半导体激光器封装结构俯视图；
图5为本发明实施例中提供的一种半导体激光器双层排列的封装结构示意图；
图6为本发明实施例中提供的另一种半导体激光器双层排列的封装结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
首先分析一下半导体激光器封装结构中的慢轴准直镜和/或耦合镜为凸凹透镜的原因。
图1为平凸透镜和凸凹透镜在相同焦距时的光学全长示意图，如图1所示，10为平凸透镜；d1为平凸透镜的厚度；L1为平凸透镜的光学全长；20为凸凹透镜；d2为凸凹透镜的厚度；L2为凸凹透镜的光学全长。
平凸透镜的光学全长L1计算公式如下：
n：折射率，f：焦距
从平凸透镜的光学全长L1的计算公式可知，在折射率n和平凸透镜d1一定的前提下，平凸透镜的全长L1随着焦距f增大而增大，而折射率n的取值范围在1.4至2之间，d1/n<d1，所以L1必然大于f。
为了极大程度的压缩透镜的光学长度L1，减小半导体激光器的封装体积，申请人想到在平凸镜的基础上，在平面引入一个凹面，同时增加d1的厚度构成厚透镜凸凹镜。通过凹面将透镜的像方主面向透镜方前方移动。相对于平凸透镜主面位置在透镜内部，而凸凹透镜可以将像方主面位置像向凸面移动并远离透镜，像方主面的至焦点的距离即为焦距f。
凸凹透镜的光学全长L2的计算公式如下：
n为折射率；f为焦距；R1为光学表面的曲率半径；d2为透镜厚度。
由凸凹透镜的光学全长L2的计算公式可知，当R1<(n-1)f/n时，L2小于f，为了更清晰的看出凸凹透镜对光学全长的压缩能力，申请人分别计算了当n、f和d2为定值时，L2随R1的变化趋势。如图2所示，在f和d2为定值时，L2随R1的减小而减小，随着折射率n的增大而减小；当n、R1和d2呈一定比例时，凸凹透镜可以将光学全长压缩到平凸透镜的1/4(L2/L1)左右，极大程度的压缩了透镜的光学长度，从而减小了半导体激光器的封装体积。
因此本发明提供一种半导体激光器封装结构，该激光器封装结构中的慢轴准直镜和/或耦合镜为凸凹透镜。下面列举具体实施例对本发明的方案进行进一步的说明，本发明的具体实施例中，为了更好的说明技术方案，图3中的激光器1和图4中的激光器1-1为同一个激光器，以此类推。图5中的激光器51和图6中的激光器61也为同一个激光器，以此类推。
具体实施例1
下面将以N等于五时，且半导体激光器封装结构内的慢轴准直镜分别为平凸透镜和凸凹透镜为例进行说明。
图3为现有技术中的一种半导体激光器封装结构俯视图。如图3所示，该半导体激光器的封装结构包括：五个激光器1、五个快轴准直透镜2、五个慢轴准直镜3、五个反射镜4和一个耦合镜5。其中，五个慢轴准直镜3均为平凸透镜。
从图3可知，每个激光器前依次放置有快轴准直透镜、慢轴准直镜和反射镜；
激光器1发出的光束经过对应放置的快轴准直透镜2和慢轴准直镜3准直后，到达反射镜4反射；所有经激光器发出到达反射镜4的光束都进入耦合镜5聚焦，再耦合进入光纤。
图4为本发明一个实施例提供的一种半导体激光器封装结构俯视图。如图4所示，该激光器的封装结构包括：五个激光器1-1、五个快轴准直镜2-1、五个慢轴准直镜3-1、五个反射镜4-1和一个耦合镜5-1，其中，五个慢轴准直镜3-1和耦合镜5-1均为凸凹透镜，且图4中的凸凹透镜与图3中的平凸透镜的焦距相同。
从图4可知，每个激光器前依次放置有快轴准直镜、慢轴准直镜和反射镜；
激光器1-1发出的光束经过对应放置的快轴准直镜2-1和慢轴准直镜3-1准直后，到达反射镜4-1反射；所有经激光器发出到达反射镜4-1的光束都进入耦合镜5-1聚焦，再耦合进入光纤。
由图3与图4相比可知。在平凸透镜和凸凹透镜焦距相同的情况下，慢轴准直镜和耦合镜为凸凹透镜时，可缩短慢轴准直镜与激光器之间的距离和耦合后的光束进入光纤的光路，从而减小了半导体激光器的封装体积。
下面的具体实施例2和具体实施例3是在慢轴准直镜和耦合镜为凸凹透镜条件下，一种全新的半导体封装结构。
具体实施例2
图5为本发明的一个实施例提供了一种半导体激光器双层排列的封装结构示意图。以N等于五为例进行说明，如图5所示，该激光器的封装结构内的阶梯底板分为上、下两层，上层包括：五个激光器51、五个快轴准直镜53、五个第二组慢轴准直镜57、五个第一类反射镜58、耦合镜511、一个偏振分光片50和一个玻片(图5中未标出)；下层包括：五个激光器52、五个快轴准直镜54、五个第一组慢轴准直镜55、五个第一类反射镜56、一个第二类反射镜59。其中，五个第二组慢轴准直镜57为平凸透镜，五个第一组慢轴准直镜55为凸凹透镜，且凸凹透镜55与平凸透镜57的焦距相同，耦合镜为凸凹透镜。
需要说明的是，上层和下层的每两个对应的激光器之间存在一个快轴光斑宽度得台阶高度差，且每层间同一列的激光器之间也存在一个光斑宽度得高度差，这样设置既可以避免同层间不同激光器发出的光束在空间上互相干涉，也可以避免层间同一列上的激光器光束在空间上互相干涉。
从图5可知，在本实施例中，下层阶梯底板上放置的激光器54、快轴准直镜55、第一组慢轴准直镜56嵌套在上层阶梯底板上的快轴准直镜53和第二组慢轴准直镜57之间的空间内。
在本实施例中，上层阶梯底板上的每个激光器51发出的光束都分别经过对应放置的快轴准直镜53和平凸透镜57准直后，到达第一类反射镜58进行反射；
下层阶梯底板上的每个激光器52发出的光束都分别经过快轴准直镜54和凸凹透镜55准直后，经第一类反射镜56反射后，再经第二类反射镜59、玻片和偏振分光片50与上层阶梯底板上第一类反射镜58反射的光束进行偏振合束；所有合束后的光束经耦合镜511聚焦后进入光纤。
本实施例中的凸凹透镜是玻璃材质的，或者是光学塑料材质的。且本实施例中的凸凹透镜也可由一个或多个凸透镜和一个或多个凹透镜组成。
本实施例2中的半导体激光器封装结构，通过在正常的单层台阶空间合束体积内，利用超短光程的凸凹透镜，在激光器与透镜之间再嵌套一层激光器芯片，这样可以保持体积不变的前提下，激光器芯片的数量可以翻倍，提高激光器的输出功率。
具体实施例3
图6为本发明的一个实施例提供了一种半导体激光器双层排列的封装结，以N等于五为例进行说明，如图6所示，该激光器的封装结构内的阶梯底板分为上、下两层，上层包括：五个激光器61、五个快轴准直镜63、五个第二组慢轴准直镜66、五个反射镜68、耦合镜69；下层包括：五个激光器62、五个快轴准直镜64、五个第一组慢轴准直镜65。其中，第二组慢轴准直镜66为平凸透镜，设置在阶梯底板上的桥型结构上，第一组慢轴准直镜65为凸凹透镜，且凸凹透镜65与平凸透镜66的焦距相同，耦合镜为凸凹透镜。
需要说明的是，上层和下层的每两个对应的激光器之间存在一个快轴光斑宽度得台阶高度差，且每层间同一列的激光器之间也存在一个光斑宽度得高度差，这样设置既可以避免同层间不同激光器发出的光束在空间上互相干涉，也可以避免层间同一列上的激光器光束在空间上互相干涉。
如图6所示，在本实施例3中，下层阶梯底板上放置的激光器62、快轴准直镜64和第一组慢轴准直镜65嵌套在上层阶梯底板上的快轴准直镜63和第二组慢轴准直镜66之间的空间内。
上层阶梯底板上的每个激光器61发出的光束都分别经过快轴准直镜63和平凸透镜66准直后，达到反射镜68进行反射；
下层阶梯底板上的每个激光器62发出的光束都分别经过快轴准直镜64和凸凹透镜65准直后，穿过阶梯底板上的桥型桥孔67后，也到达反射镜68进行反射，所有反射的光束进入耦合镜69聚焦后，耦合进入光纤。
本实施例中的凸凹透镜是玻璃材质的，或者是光学塑料材质的。且本实施例中的凸凹透镜也可由一个或多个凸透镜和一个或多个凹透镜组成。
本实施例3中的半导体封装结构，除了通过在正常的单层台阶空间合束体积内，利用超短光程的凸凹透镜，在激光器与透镜之间再嵌套一层激光器芯片，这样可以保持体积不变的前提下，激光器芯片的数量可以翻倍，提高激光器的输出功率之外，将上层激光器和下层激光器共用一个反射镜进行反射，减少了激光器封装结构的光学器件，从而节省了物料成本。
本发明技术方案是通过将激光器封装结构内的慢轴准直镜设置为凸凹透镜，缩短了激光器芯片到慢轴准直镜之间的距离，从而减少了半导体激光器的封装体积；同时将耦合镜设置为凸凹透镜，也减少了通过耦合镜的耦合光束输入光纤的距离。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种半导体激光器封装结构，其特征在于，
该激光器封装结构中的慢轴准直镜/或耦合镜为凸凹透镜；
所述激光器的封装结构还包括：2N个激光器、2N个快轴准直镜、N个第一组慢轴准直镜、N个第二组慢轴准直镜、N个反射镜和一个耦合镜；其中，所述N个第一组慢轴准直镜均为凸凹透镜；所述N个第二组慢轴准直镜均为平凸透镜；所述凸凹透镜与所述平凸透镜的焦距相同，N为大于或等于1的自然数；
所述2N个激光器、2N个快轴准直镜分别排列放置在上、下两层的阶梯底板上；所述第二组慢轴准直镜放置在阶梯底板的桥型结构上；所述第一组慢轴准直镜放置在下层的阶梯底板上；所述N个反射镜放置在上层的阶梯底板上；
所述上层阶梯底板上的每个激光器前依次放置有快轴准直镜、第二组慢轴准直镜、反射镜；
所述下层阶梯底板上的每个激光器前依次放置有快轴准直镜、第一组慢轴准直镜；
所述下层阶梯底板上放置的激光器、快轴准直镜、第一组慢轴准直镜嵌套在上层阶梯底板上的快轴准直镜和第二组慢轴准直镜之间的空间内；
所述上层阶梯底板上的每个激光器发出的光束都分别经过快轴准直镜和第二慢轴准直镜准直后，达到反射镜进行反射；
所述下层阶梯底板上的每个激光器发出的光束都分别经过快轴准直镜和第一组慢轴准直镜准直后，穿过阶梯底板上的桥型桥孔后，也到达上层阶梯底板上的反射镜进行反射，所有反射的光束进入耦合镜聚焦后，耦合进入光纤。
2.如权利要求1所述的激光器封装结构，其特征在于，
所述凸凹透镜为单体透镜；
或者，
所述凸凹透镜由一个或多个凸透镜和一个或多个凹透镜组成。
3.如权利要求1所述的激光器封装结构，其特征在于，
所述凸凹透镜是玻璃材质的，或者是光学塑料材质的。
4.如权利要求1所述的激光器封装结构，其特征在于，所述耦合镜为凸凹透镜。
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