CN110086081B - 基于光子晶体激光阵列的微推进器光源 - Google Patents

基于光子晶体激光阵列的微推进器光源 Download PDF

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Abstract

一种基于光子晶体激光阵列的微推进器光源，包括：管壳，为一台阶结构，该台阶结构包含底部和顶部；过渡热沉，制作于管壳的台阶结构的底部上；光子晶体激光阵列，倒装于过渡热沉上并与管壳固定，该光子晶体激光阵列包含多个电学隔离的激光单元，每个激光单元结构包含：半导体激光器，以及在该半导体激光器的外延结构方向引入的周期或准周期光子晶体结构；电路板，具有多路隔离的电路，固定于管壳的台阶结构的顶部上，各路电路分别与光子晶体激光阵列的各个激光单元电性连接，用于为各个激光单元单独供电。与现有技术相比，降低垂直发散角，提高了激光功率密度，提高了微推进器比冲，降低烧蚀脉冲宽度，简化高亮度微光光路设计，降低成本。

Description

基于光子晶体激光阵列的微推进器光源
技术领域
本公开属于半导体激光器领域，涉及一种基于光子晶体激光阵列的微推进器光源，特别是一种用于微小卫星的具有高功率密度、较低垂直发散角的微推进器光源。
背景技术
微小卫星的快速发展对星载微推进技术提出了更高的要求，微纳卫星可以单颗快速完成任务，又能与其他众多低成本且高性能的微星组成星群和星座，完成复杂的航天任务，如通过微星空间对接自组装形成功能强大的大卫星或空间装置。由于微星的体积小、重量轻、转动惯量小，用于姿态控制、轨道保持和编队飞行和空间组装控制所需的推力精度高、跨度大，冲量脉冲范围通常在纳牛秒-毫牛秒。加上微星提供的电源电压、功率和载荷体积限制，高效轻型、低功耗、小推力、精确微冲量的微推进技术研究难度大，且需求迫切。激光推进技术原理是利用聚焦后的较高功率密度激光烧蚀推挤剂引发的微爆轰喷射从而产生推力；与其他研制微推进技术相比，具有单脉冲精度高、低功耗的优点，适合微星的星载条件；其模块化设计，体积轻，即插即用可实现对固态推进剂的可控微爆轰，且固态推进剂便于长期存储；无需加热毫秒级响应产生推力，可以用于紧急推力施加。激光推进技术是能够满足微星星载条件和苛刻应用需求的一种微推进技术。
半导体激光器作为目前电光转换效率最高的激光光源，具有体积小、重量轻、寿命长，结构简单，高可靠性等优点，可以说是激光推进器目前唯一能够星载化的光源。为了提高激光推进器比冲，急需高功率密度激光光源满足激光推进器对高亮度、小体积、重量轻、效率高的激光光源的要求。目前传统半导体激光器作为激光微推进器光源，传统的半导体激光器因其自身结构特点，存在垂直发散角大、椭圆形光斑、光功率密度和光束质量差等瓶颈问题，需要复杂光束整形和汇聚才能实现高功率密度，但仍然不能满足要求。据实验分析，目前整形后的光斑功率密度普遍在103W/cm2左右，制约了激光推进器比冲的提升。同时普通半导体激光器的光学整形难度大，带来高亮度微光路设计复杂性，高制作成本。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开的目的在于提供一种基于高功率密度低发散角光子晶体激光阵列的微推进器光源，以至少解决传统半导体激光器阵列发散角大、功率密度低的瓶颈问题，提高微推进器比冲，降低烧蚀脉冲宽度，简化高亮度微光光路设计，实现低成本，有利于提高卫星有效载荷和提高***响应速度。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于光子晶体激光阵列的微推进器光源，包括：管壳，为一台阶结构，该台阶结构包含底部和顶部；过渡热沉，制作于管壳的台阶结构的底部上；光子晶体激光阵列，倒装于过渡热沉上并与管壳固定，该光子晶体激光阵列包含多个电学隔离的激光单元，每个激光单元结构包含：半导体激光器，以及在该半导体激光器的外延结构方向引入的周期或准周期光子晶体结构；电路板，具有多路隔离的电路，固定于管壳的台阶结构的顶部上，各路电路分别与光子晶体激光阵列的各个激光单元电性连接，用于为各个激光单元单独供电。
在本公开的一些实施例中，所述过渡热沉包括：AlN基底；多个焊接单元形成的阵列，设置于AlN基底上；以及隔离部位，设置于多个焊接单元之间，用于将多个焊接单元相互隔离开。
在本公开的一些实施例中，每个焊接单元中具有预制好的AuSn焊料以及金属焊线部位。
在本公开的一些实施例中，各路电路分别与光子晶体激光阵列的各个激光单元通过金丝焊线实现电性连接。
在本公开的一些实施例中，所述管壳的材料为如下材料的任意一种：镀金的无氧铜或钨铜。
在本公开的一些实施例中，所述光子晶体激光阵列各个激光单元的垂直发散角小于15度。
在本公开的一些实施例中，所述光子晶体激光阵列的发射波长为800nm-1100nm。
在本公开的一些实施例中，所述电路板的引入附件电压至少要小于0.2V，保证电光转换效率下降小于10％。
在本公开的一些实施例中，所述多路隔离的电路包括充当多路正极的电路以及充当负极的电路。
在本公开的一些实施例中，所述过渡热沉通过烧结的方式制作于管壳上；所述光子晶体激光阵列通过倒装烧结的形式固定于过渡热沉上并通过焊接的方式与管壳固定，所述电路板通过烧结的方式固定于管壳上。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于光子晶体激光阵列的微推进器光源，具有以下有益效果：
(1)该微推进器光源采用高功率密度、低发散角的光子晶体激光阵列，有效解决传统半导体激光器阵列发散角大、功率密度低的瓶颈问题，提高微推进器比冲，降低烧蚀脉冲宽度，简化高亮度微光光路设计，降低成本。
(2)该微推进器光源采用AuSn过渡热沉的倒装技术，可以实现低发散角光子晶体激光阵列P面向下倒装形式烧结，实现无空洞烧结，改善散热，提高效率，同时提高整个阵列各单元的均匀性。
(3)该微推进器光源采用特殊设计和封装技术，实现阵列各个单元彼此隔离，电流分别控制，提高***的集成。
附图说明
图1为本公开一实施例所示的基于光子晶体激光阵列的微推进器光源的结构图。
图2为本公开一实施例所示的过渡热沉的示意图。
图3为现有技术中普通半导体激光阵列图。
图4为本公开一实施例所示的具有高功率密度、低发散角的光子晶体激光阵列图。
图5为现有技术中普通半导体激光器在不同功率下的垂直发散角变化情况。
图6为本公开一实施例所示的光子晶体激光器不同功率下的垂直发散角变化情况。
图7为相同功率下普通半导体激光器与光子晶体激光器能量分布对比图。
图8为普通半导体激光微进器光源的聚焦光斑图。
图9为本公开的光子晶体激光微进器光源的聚焦光斑图。
【符号说明】
1-管壳；
2-过渡热沉；
21-AlN基底； 22-AuSn焊料；
23-金属焊线部位； 24-隔离部位；
3-光子晶体激光器阵列；
31-周期或准周期光子晶体结构；
4-电路板；
5-金丝焊线； 6-公共负极；
7-正极。
具体实施方式
本公开提出采用低发散角(低于15°)高功率密度阵列作为微推进器光源，利用复合光子晶体等对光场和模式调控机制，提高限制因子和限制因子比，提高模式稳定性，从芯片层次降低激光器发散角，提高功率密度，提高输出功率和效率，提高微推进器比冲，降低烧蚀脉冲宽度，简化高亮度微光光路设计，实现低成本。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于光子晶体激光阵列的微推进器光源。本实施例的基于光子晶体激光阵列的微推进器光源为976nm波段的光源。
图1为本公开一实施例所示的基于光子晶体激光阵列的微推进器光源的结构图。
参照图1所示，本公开的基于光子晶体激光阵列的微推进器光源，包括：管壳1；过渡热沉2，制作于管壳1上；光子晶体激光阵列3，倒装于过渡热沉2上并与管壳1固定，该光子晶体激光阵列3包含多个电学隔离的激光单元，每个激光单元结构包含：半导体激光器，以及在该半导体激光器的外延结构方向引入的周期或准周期光子晶体结构31；具有多路隔离电路的电路板4，固定于管壳1上，各路电路分别与光子晶体激光阵列3的各个激光单元电性连接，用于为各个激光单元单独供电。
本实施例中，管壳1为镀金的无氧铜材材料，便于与电路板4和光子晶体激光阵列3(激光芯片)烧结。在一实例中，管壳1为长方体结构。
图2为本公开一实施例所示的过渡热沉的示意图。
本实施例中，过渡热沉2由预制好的AuSn焊料的氮化铝材料制成，烧结在管壳1上。其中，过渡热沉2的用于与光子晶体激光阵列3进行连接的表面具有与光子晶体激光阵列3对应的多个焊接单元形成的阵列，如图2所示，过渡热沉2包括氮化铝(AlN)基底21，设置于AlN基底21上的焊接单元，以及将多个焊接单元相互隔离开的隔离部位24，其中每个焊接单元中具有预制好的AuSn焊料22以及金属焊线部位23。焊接单元相互隔离，可以实现光子晶体激光阵列3以P面向下的倒装形式与该过渡热沉2进行烧结，该光子晶体激光阵列3的每个激光单元与过渡热沉2的各个焊接单元一一对应，实现无空洞烧结，改善散热，提高效率，同时提高整个热沉表面的阵列中各焊接单元及光子晶体激光阵列3的均匀性。其中，优选采用AuSn焊料烧结，具有高热导率、低应变，不易发生热迁移和电迁移以及高可靠性等优点。
本实施例中，高功率密度、低发散角的光子晶体激光阵列3，包含多个激光单元，倒装烧结到预制好的AuSn焊料22的AlN过渡热沉2上，再焊接在管壳1上。
本公开中，光子晶体激光阵列3是在半导体激光器外延结构方向引入周期或准周期光子晶体结构31，参照图4所示，其纵向周期和准周期光子晶体结构的各层通过改变材料组分和厚度来实现折射率周期或准周期变化，对于不同波长的单模低发散角光子晶体激光器，材料体系不同，所改变组分的元素也不同，可以根据实际需要进行设置。
半导体激光器外延结构为常见的结构，本实施例中有源区采用InGaAs量子晶体。
引入的周期或准周期光子晶体结构31能够增大模式体积，从芯片层次降低垂直发散角，提高功率密度，提高输出功率和效率。本公开的光子晶体激光阵列3中各激光单元的垂直发散角小于15度。
本实施例中，激光阵列各单元彼此隔离，可实现单独供电，光子晶体激光阵列3的发射波长为800nm-1100nm。
本实施例中，电路板4为彼此隔离开的多路电路板，烧结在管壳1上。在一实例中，电路板4大于5路，各路相互隔离，分别为光子晶体激光阵列3中的各个激光单元供电，电路板要求引入附件电压尽量低，保证光源各路均具有高的电光转换效率。
本实施例中，金丝焊线5焊接在电路板4和光子晶体激光阵列3引入的正负极之间，图1中沿着x所在方向具有多路，其中最右端的一路作为为公共负极6，左边的各路分别作为各路正极7。光子晶体激光阵列3的正极分别通过金丝焊线5引到电路板4上的各路正极7。
本实施例通过采用周期或准周期光子晶体结构31的包含光子晶体激光阵列3代替传统的半导体激光阵列，利用复合光子晶体对光场和模式的调控机制，提高限制因子和限制因子比，提高模式稳定性，从芯片层次降低激光器发散角，提高功率密度，提高输出功率和效率，提高微推进器比冲，降低烧蚀脉冲宽度，简化高亮度微光光路设计，实现低成本，有利于提高卫星有效载荷和提高***响应速度采用特殊设计和封装技术；另外通过将过渡热沉设计为多个焊接单元形成的阵列形式，使得光子晶体激光阵列进行倒装烧结，实现无空洞烧结，改善散热，提高效率，同时提高整个热沉表面的阵列中各焊接单元及光子晶体激光阵列的均匀性；最终通过电路板的多路结构分别为各个激光单元实现供电，整体上实现阵列各个单元彼此隔离，电流分别控制，提高***的集成度，减小体积。
图3为现有技术中普通半导体激光阵列图，如图3所示，由于半导体激光器自身结构特点，形成椭圆光斑输出。
图4为本公开一实施例所示的具有高功率密度、低发散角的光子晶体激光阵列图，如图4所示，光子晶体结构31采用周期或准周期高低交替AlxGa1-xAs材料组成，用于形成电流注入通道和纵向光场扩展，形成近圆光斑输出。
图5为现有技术中普通半导体激光器在不同功率下的垂直发散角变化情况，从图5中可以看出普通半导体激光器垂直发散角大于在28度左右，随着注入电流增大(1-10W)，垂直发散角变化不大。
图6为本公开一实施例所示的光子晶体激光器不同功率下的垂直发散角变化情况，从6图中可以看出光子晶体激光器垂直发散角大于在13度左右，随着注入电流增大(1-10W)，垂直发散角变化不大。
图7为相同功率下普通半导体激光器与光子晶体激光器能量分布对比图。普通半导体激光器与光子晶体激光器二者分别在连续10W输出功率下，从图7中可以光子晶体激光器较普通半导体激光器来说，功率密度提高1.3-1.4倍。
图8为普通半导体激光微进器光源的聚焦光斑图，光斑像素(垂直×水平)为20×780，烧蚀脉冲宽度为1ms。
图9为本公开的光子晶体激光微进器光源的聚焦光斑图，光斑像素(垂直×水平)为8×20，烧蚀脉冲宽度为0.2ms。对比可以看出本公开的光子晶体激光微进器相较现有的普通半导体激光微进器光源来说，其光源光斑尺寸明显减小，烧蚀脉冲宽度减小5倍，实验研制比冲提高20％。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种微推进器，包含本公开的基于光子晶体激光阵列的微推进器光源。本实施例的微推进器利用复合光子晶体等对光场和模式调控机制，提高限制因子和限制因子比，提高模式稳定性，从芯片层次降低激光器发散角，提高功率密度，提高输出功率和效率，提高微推进器比冲，降低烧蚀脉冲宽度，简化高亮度微光光路设计，降低制作成本，有利于提高卫星有效载荷和提高***响应速度。
综上所述，本公开提供了一种基于光子晶体激光阵列的微推进器光源。采用低发散角高功率密度的光子晶体激光阵列作为微推进器光源，代替传统半导体激光阵列，利用复合光子晶体等对光场和模式调控机制，提高限制因子和限制因子比，提高模式稳定性，从芯片层次降低激光器发散角，提高功率密度，提高输出功率和效率，提高微推进器比冲，降低烧蚀脉冲宽度，简化高亮度微光光路设计，降低制作成本，有利于提高卫星有效载荷和提高***响应速度。该光源采用AuSn焊料倒装烧结技术实现低发散角光子晶体激光阵列P面向下封装，实现无空洞烧结，改善散热，提高效率，同时提高整个阵列各单元的均匀性。采用芯片特殊设计和封装技术，减小体积，提高集成度，且各路彼此相互隔离。
需要说明的是，虽然上述实施例以976nm波段高功率密度低发散角光子晶体激光阵列InGaAs量子晶体有源区为例进行说明，但本公开并不以此为限，波段可以覆盖可见光到长波长，衬底材料还可以为N型GaAs、GaSb、InP等；有源区还可以为GaAs、InGaAs、AlGaInAs、InGaAsP、InGaN等量子阱或量子点或量子级联超晶格材料；绝缘层可以为氮化硅或SiO2；以上的变形同样包括在本公开的保护范围之内。
需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。
还需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或没计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光子晶体激光阵列的微推进器光源，其特征在于，包括：
管壳，为一台阶结构，该台阶结构包含底部和顶部；
过渡热沉，制作于管壳的台阶结构的底部上；
光子晶体激光阵列，倒装于过渡热沉上并与管壳固定，该光子晶体激光阵列包含多个电学隔离的激光单元，每个激光单元结构包含：半导体激光器，以及在该半导体激光器的外延结构方向引入的周期或准周期光子晶体结构；
电路板，具有多路隔离的电路，固定于管壳的台阶结构的顶部上，各路电路分别与光子晶体激光阵列的各个激光单元电性连接，用于为各个激光单元单独供电。
2.根据权利要求1所述的微推进器光源，其特征在于，所述过渡热沉包括：
AlN基底；
多个焊接单元形成的阵列，设置于AlN基底上；以及隔离部位，设置于多个焊接单元之间，用于将多个焊接单元相互隔离开。
3.根据权利要求2所述的微推进器光源，其特征在于，每个焊接单元中具有预制好的AuSn焊料以及金属焊线部位。
4.根据权利要求1所述的微推进器光源，其特征在于，各路电路分别与光子晶体激光阵列的各个激光单元通过金丝焊线实现电性连接。
5.根据权利要求1所述的微推进器光源，其特征在于，所述管壳的材料为如下材料的任意一种：镀金的无氧铜或钨铜。
6.根据权利要求1所述的微推进器光源，其特征在于，所述光子晶体激光阵列各个激光单元的垂直发散角小于15度。
7.根据权利要求1所述的微推进器光源，其特征在于，所述光子晶体激光阵列的发射波长为800nm-1100nm。
8.根据权利要求1所述的微推进器光源，其特征在于，所述电路板的引入附件电压至少要小于0.2V，保证电光转换效率下降小于10％。
9.根据权利要求1所述的微推进器光源，其特征在于，所述多路隔离的电路包括充当多路正极的电路以及充当负极的电路。
10.根据权利要求1所述的微推进器光源，其特征在于，所述过渡热沉通过烧结的方式制作于管壳上；所述光子晶体激光阵列通过倒装烧结的形式固定于过渡热沉上并通过焊接的方式与管壳固定，所述电路板通过烧结的方式固定于管壳上。
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