CN112448263A - 激光器芯片装置及激光器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种激光器芯片装置，包括芯片层；所述芯片装置还包括：与芯片层接触的导热层、及将所述芯片层和所述导热层置于其内部的第一散热壳体；所述芯片装置还包括制冷器，所述制冷器接触连接于所述第一散热壳体的外壁上。在上述结构中，在该结构中，芯片装置置于第一散热壳体内，同时结合制冷器，因而能够非常容易的对于温度进行控制，使得温度控制在合理的工作温度范围之内，如零下20℃‑10℃。此外，在该种结构中，导热层可以采用成本很低的碳化硅，相对于采用钻石作为导热材料，因而能够极大的降低成本。

Description

激光器芯片装置及激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种激光器芯片装置及激光器。

背景技术

在光泵浦半导体(Optical-pumped semiconductor，OPS)腔内倍频紫外激光器技术领域，其半导体芯片的制冷方式一般采用高纯度钻石导热，因而成本非常高。该现有技术被美国专利US20110064099已经公开。在该专利中，其结构包括QW芯片、导热介质及热沉，热沉与导热介质具有良好的热接触，从而实现导热，这种导热结构采用钻石材料导热，成本非常高。另一方面，钻石的热膨胀系数与半导体材料的热膨胀系数并不是很匹配，具有相对复杂的光学贴合工艺过程，半导体芯片的温度要控制在一定的温度范围之内，如零下20℃-10℃的范围，该种结构也不容易实现温度控制。

此外，目前通过OPS并结合频率转换技术产生的紫外激光器，其半导体芯片基频发射波长890nmˉ1120nm，基频光(红外)经过第一个非线性晶体，倍频作用后产生二次谐波(可见)，基频光与二次谐波再通过第二个非线性晶体，和频作用后产生三次谐波(紫外)，经过两次频率变换，能量转换效率较低，并且谐振腔镜的镀膜成本较高。该现有技术已经被美国专利US10177524已经公开，在该专利中，如图1A所示，泵浦光pump radiation泵浦QW芯片产生波长为920nm的红外基频光，经过非线性晶体产生波长为460nm的二次谐波，基频光920nm与倍频光460nm经过非线性晶体和频产生波长为307nm的三次谐波。

再者，目前全固态紫外激光器主要采用产生基频光1064nm的激光增益介质(比如Nd：YAG)经过第一个非线性晶体，倍频作用后产生二次谐波532nm(可见)，基频光1064nm与二次谐波532nm再通过第二个非线性晶体，和频作用后产生三次谐波355nm(紫外)。再者，二次谐波532nm通过第二个非线性晶体，倍频作用后产生四次谐波266nm(紫外)。经过两次频率变换，能量转换效率较低，并且谐振腔镜的镀膜成本较高。此外，固体激光增益介质产生固定的激光谱线，因此，其应用领域受到一定的限制。该现有技术，美国专利CN107946891A已经公开，在该技术中,泵浦激光晶体产生波长为1064nm的基频光，经过非线性晶体产生波长为532nm的二次谐波，基频光1064nm与倍频光532nm经过非线性晶体和频产生波长为355nm的三次谐波。

发明内容

在本发明中，半导体芯片的导热介质采用钻石导热，因而成本非常高，同时钻石的热膨胀系数与半导体材料的热膨胀系数并不是很匹配，具有相对复杂的光学贴合工艺过程。为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种激光器芯片装置，用以解决现有技术中激光器芯片装置导热成本高，不易于实现温度控制的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种激光器芯片装置，包括芯片层；所述芯片装置还包括：与芯片层接触的导热层、及将所述芯片层和所述导热层置于其内部的第一散热壳体；

所述芯片装置还包括制冷器，所述制冷器接触连接于所述第一散热壳体的外壁上。

可选的，所述芯片装置还包括第二散热壳体，所述第一散热壳体及所述制冷器设置于所述第二散热壳体的内部。

可选的，所述制冷器以其下表面接触置于所述第二散热壳体的底壁，并所述第一散热壳体接触置于所述制冷器的上表面。

可选的，所述芯片装置还还包括形成于所述第一散热壳体与所述第二散热壳体之间的密闭空腔，所述密闭空腔内充有干燥气体。

可选的，所述第二散热壳体顶壁设置有开口、及与所述开口配合密封的窗口片。

可选的，所述第一散热壳体的顶壁开有透光孔。

可选的，所述导热层以其下表面光学贴合于所述芯片层上表面上，并所述导热层的上表面与第一散热壳体顶壁接触。

可选的，所述导热层为碳化硅。

可选的，所述第一散热壳体和所述第二散热壳体均为铜散热壳体。

可选的，所述芯片层包括基座层、量子阱层及设置于二者之间的反射层。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种激光器，包括光源；所述激光器还包括上述任一项所述的芯片装置、及与所述芯片装置配合的泵浦装置。

可选的，所述泵浦装置包括中心设有通光孔的抛物面反射镜，所述芯片装置设置于所述抛物面反射镜的凹面一侧的中心轴线上，并与所述通光孔相对；所述泵浦装置还包括相对于所述抛物面的中心轴线对称设置的第一反射镜和第二反射镜，以便经由芯片装置反射回所述抛物面反射镜的第一光线，经由所述第一反射镜和所述第二反射镜再次反射回所述抛物面反射镜。

可选的，所述泵浦装置还包括相对于所述中心轴线对称设置的第三反射镜及第四反射镜，以便经由芯片装置反射回所述抛物面反射镜的第二光线，经由所述第三反射镜和所述第四反射镜再次反射回所述抛物面反射镜。

可选的，所述泵浦装置还包括相对于所述中心轴线对称设置的第五反射镜及第六反射镜，以便经由芯片装置反射回所述抛物面反射镜的第三光线，经由所述第五反射镜和所述第六反射镜再次反射回所述抛物面反射镜。

可选的，所述泵浦装置还包括垂直于所述中心轴线设置的第七反射镜，以便经由芯片装置反射回所述抛物面反射镜的第四光线，以入射角为0度射于所述第七反射镜上。

可选的，所述泵浦装置还包括准直镜，所述光源发出的光线经由所述准直镜入射于所述抛物面反射镜上。

在本发明实施例中，激光器芯片装置，包括芯片层；所述芯片装置还包括：与芯片层接触的导热层、及将所述芯片层和所述导热层置于其内部的第一散热壳体；所述芯片装置还包括制冷器，所述制冷器接触连接于所述第一散热壳体的外壁上。

在上述结构中，在该结构中，芯片装置置于第一散热壳体内，同时结合制冷器，因而能够非常容易的对于温度进行控制，使得温度控制在合理的工作温度范围之内，如零下20℃-10℃。此外，在该种结构中，导热层可以采用成本很低的碳化硅，相对于采用钻石作为导热材料，因而能够极大的降低成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一示例性实施例示出的激光器芯片装置的斜侧图；

图2是根据本发明一示例性实施例示出的泵浦装置的斜侧图；

图3是根据本发明一示例性实施例示出的泵浦装置的主视结构示意图；

图4是根据本发明一示例性实施例示出的激光器的主视结构示意图。

图1-图4中零部件与附图标记的对应关系为：

芯片装置1；芯片层101；基座层1011；量子阱层1012；反射层1013；导热层102；制冷器103；第一散热壳体104；透光孔1041；第二散热壳体105；窗口片106；

泵浦装置2；抛物面反射镜201；通光孔2011；第一反射镜2021；第二反射镜2022；第三反射镜2023；第四反射镜2024；第五反射镜2025；第六反射镜2026；第七反射镜2027；

光源3；

准直镜4；

第二腔镜5；

第三腔镜6；

非线性晶体7；

双折射滤光片8。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是根据本发明一示例性实施例示出的激光器芯片装置1的斜侧图。如图1所示，激光器芯片装置1，包括芯片层101；，芯片装置1还包括：与芯片层101接触的导热层102、及将芯片层101和导热层102置于其内部的第一散热壳体104；芯片装置1还包括制冷器，制冷器接触连接于第一散热壳体104的外壁上。

在该结构中，芯片装置1置于第一散热壳体104内，同时结合制冷器，因而能够非常容易的对于温度进行控制，是的温度控制在合理的工作温度范围之内，如零下20℃-10℃。此外，在该种结构中，导热层102可以采用成本很低的碳化硅，相对于采用钻石作为导热材料，因而能够极大的降低成本。

在本发明的一种实施例中，如图1所示，芯片装置1还包括第二散热壳体105，第一散热壳体104及制冷器设置于第二散热壳体105的内部。具体的，制冷器以其下表面接触置于第二散热壳体105的底壁，并第一散热壳体104接触置于制冷器的上表面。芯片装置1还还包括形成于第一散热壳体104与第二散热壳体105之间的密闭空腔，密闭空腔内充有干燥气体。

在上述结构中，第二散热壳体105进一步设置于第一散热壳体104的外部，同时二者都与制冷器接触连接，因而能够更容易的实现对于温度的控制，同时从光学贴合的碳化硅前向导热，散热效果更好。密闭空腔内的气体可以为氮气，因而可以排除空气中的水蒸气，从而避免在碳化硅表面以及第一壳体的外壁上产生水滴，从而影响芯片产生基频光。

在本发明的一种实施例中，第二散热壳体105顶壁设置有开口、及与开口配合密封的窗口片106，第一散热壳体104的顶壁开有透光孔1041。

在该种结构中，由于第一散热壳体104设置有透光孔1041，第二散热壳体105设置有窗口片106，因而经抛物面反射镜201反射聚焦的光线可以通过该透光孔1041和窗口片106聚焦到芯片层101上，从而便于泵浦光通过该透光孔和窗口片进行入射和反射，从而为多次利用泵浦光而提升利用效率奠定了技术基础。

进一步的，在本发明的一种实施例中，导热层102以其下表面光学贴合于芯片层101上表面上，并导热层102的上表面与第一散热壳体104顶壁接触。此外，第一散热壳体104和第二散热壳体105均为铜散热壳体，该种结构设计使得导热效果更好。

在本发明的一种实施例中，可以对芯片层101做进一步说明。具体的，芯片层101包括基座层1011、量子阱层1012及设置于二者之间的反射层1013。

在本发明中，为实现单次倍频产生紫外光，反射层1013可以分布式布拉格反射层1013(distributed bragg reflector，DBR)、量子阱层1012可以为多层量子阱区域(quantum well layers，QW)。该半导体芯片由基底材料按顺序外延式生长制备而成，采用波长范围638-660nm的激光泵浦，可以在高量子效率下产生650-710nm波段的基频光。该基频光可以通过一个非线性晶体7的倍频作用，实现腔内频率变换而产生紫外光。

进一步的，与量子阱层1012表面接触的是SiC导热介质，为无掺杂纯晶片，两面抛光后，其第一表面与量子阱层1012表面光学贴合(Optical Bonding)，其第二表面镀有泵浦光以及基频光波长增透膜，第二表面的边缘区域与第一散热壳体104接触。芯片装置1的基座层1011与第一散热壳体104接触，第一散热壳体104将热量传导至制冷器的上表面，该制冷器可以为半导体制冷器(thermoelectric cooler，TEC)。制冷器的下表面与第二散热壳体105接触，将热量传导至第二散热壳体105。窗口片106(window film)第一表面和第二表面镀有对泵浦光以及基频光波长增透膜，与第二散热壳体105形成一个密封空腔该密封空腔内填充干燥氮气。

图2是根据本发明一示例性实施例示出的泵浦装置2的斜侧图；图3是根据本发明一示例性实施例示出的泵浦装置2的主视结构示意图。

如图2和图3所示，在一种实施例中，提供一种激光器，包括光源；激光器还包括上述任一项实施例中的芯片装置1、及与芯片装置1配合的泵浦装置2。

具体的，如图2所示，泵浦装置2包括中心设有通光孔2011的抛物面反射镜201，芯片装置1设置于抛物面反射镜201的凹面一侧的中心轴线上，并与通光孔2011相对；泵浦装置2还包括相对于抛物面的中心轴线对称设置的第一反射镜2021和第二反射镜2022，以便经由芯片装置1反射回抛物面反射镜201的第一光线，经由第一反射镜2021和第二反射镜2022再次反射回抛物面反射镜201。

在该种结构设计中，由于设置了第一反射镜2021和第二反射镜2022，因而经由芯片装置1反射回抛物面反射镜201的第一光线，可以再次反射回抛物面反射镜201，进而再一次反射到芯片层101上，从而使得泵浦光在芯片层101上多了一次入射和反射，从而提高了泵浦光的利用效率。

在该种结构设计中，泵浦装置2还包括相对于中心轴线对称设置的第三反射镜2023及第四反射镜2024，以便经由芯片装置1反射回抛物面反射镜201的第二光线，经由第三反射镜2023和第四反射镜2024再次反射回抛物面反射镜201。

在该种结构设计中，由于设置了第三反射镜2023和第四反射镜2024，因而经由芯片装置1反射回抛物面反射镜201的第二光线，可以再次反射回抛物面反射镜201，进而再一次反射到芯片层101上，从而使得泵浦光在芯片层101上再多了一次入射和反射，从而进一步提高了泵浦光的利用效率。

泵浦装置2还包括相对于中心轴线对称设置的第五反射镜2025及第六反射镜2026，以便经由芯片装置1反射回抛物面反射镜201的第三光线，经由第五反射镜2025和第六反射镜2026再次反射回抛物面反射镜201。

在该种结构设计中，由于设置了第五反射镜2025和第六反射镜2026，因而经由芯片装置1反射回抛物面反射镜201的第三光线，可以再次反射回抛物面反射镜201，进而又一次反射到芯片层101上，从而使得泵浦光在芯片层101上又再多了一次入射和反射，从而再一次进一步提高了泵浦光的利用效率。至此，泵浦光已经完成了四次在芯片层101上的入射和反射，即芯片层101完成了8次对泵浦光的吸收。

泵浦装置2还包括垂直于中心轴线设置的第七反射镜2027，以便经由芯片装置1反射回抛物面反射镜201的第四光线，以入射角为0度射于第七反射镜2027上。

在上述结构设计中，泵浦光相对第七反射镜2027的入射角度为0°，泵浦光由第七反射镜2027按原路返回，通过上述第一反射镜2021至第六反射镜2026，泵浦光再完成四次在芯片层101入射和反射，因而再次完成8次对泵浦光的吸收，从而极大的提高了泵浦光的利用效率。

泵浦装置2还包括准直镜4，光源发出的光线经由准直镜4入射于抛物面反射镜201上。

在上述结构设计中，如图2和图3所示，泵浦光源3可以选用纤芯100μm光纤输出的波长范围638-660nm半导体激光器。从光纤输出的泵浦光经过焦距为35mm的准直镜4后，准直光正入射到焦距为-30mm的抛物面反射镜201。抛物面反射镜201将准直光反射到芯片层101上，形成聚焦光斑。聚焦光斑经过芯片层101的反射层1013反射回抛物面镜(为了便于区分，此时芯片层101反射回抛物面反射镜201的光线定义为第一光线)，通过抛物面反射镜201再次形成准直光反射到第一反射镜2021上，光线相对第一反射镜2021的入射角度为45°，光线由第一反射镜2021反射至第二反射镜2022，再由第二反射镜2022反射至抛物面反射镜201上。类似上述过程，泵浦光的轨迹接下来由抛物面反射镜201第二次反射到芯片层101上，由芯片层101的反射层1013第二次反射回抛物面反射镜201(为了便于区分，此时芯片层101反射回抛物面反射镜201的光线定义为第二光线)，由抛物面镜反射至第三反射镜2023。由第三反射镜2023反射至第四反射镜2024，由第四反射镜2024反射回抛物面反射镜201，由抛物面反射镜201第三次反射到芯片层101上，由芯片层101的反射层1013第三次反射回抛物面反射镜201(为了便于区分，此时芯片层101反射回抛物面反射镜201的光线定义为第三光线)，由抛物面反射镜201反射至第五反射镜2025。由第五反射镜2025反射至第六反射镜2026，由第六反射镜2026反射回抛物面反射镜201，由第六反射镜2026反射回抛物面反射镜201，由抛物面反射镜201第四次反射到芯片层101上，由芯片层101的反射层1013第四次反射回抛物面反射镜201(为了便于区分，此时芯片层101反射回抛物面反射镜201的光线定义为第四光线)，由抛物面反射镜201反射至第七反射镜2027。至此，泵浦光已经完成了4次在芯片层101上的入射和反射，即芯片层101完成了8次对泵浦光的吸收，泵浦光相对第七反射镜2027的入射角度为0°，泵浦光由第七反射镜2027按原路返回，芯片层101再次完成8次对泵浦光的吸收。

在本发明的结构设计中，为实现对泵浦光源的成本控制，OPS激光器使用低成本的红光半导体光源。由于量子阱芯片对该泵浦波长的吸收率较低，设计上述多程吸收泵浦结构，因而在极大降低成本的前提下，实现高效率的泵浦光利用效率。

图4是根据本发明一示例性实施例示出的激光器的主视结构示意图。

如图4所示，OPS激光器的谐振腔结构包括由芯片层101的反射层1013形成的第一腔镜，第二腔镜5(输出腔镜)，第三腔镜6构成V形谐振腔。第一腔镜对泵浦光和基频光高反。第二腔镜5可以选用曲率半径R＝50mm，对基频光高反，对二次谐波(倍频光)高透。第三腔镜6可以选用曲率半径R＝25mm，对基频光和倍频光高反。谐振腔中包括非线性晶体7，位于第二腔镜5和第三腔镜6之间，该非线性晶体7可以选用3x3x3mm3 BBO，其匹配角度为θ＝34.3°，一类相位匹配倍频，两个通光表面均对基频光和倍频光增透。基频光在非线性晶体7中频率变换产生二次谐波，二次谐波通过第二腔镜5输出。谐振腔中还包括双折射滤光片8BF，位于第一腔镜和第二腔镜5之间，该双折射滤光片8可选用石英晶体，厚度3mm，光基频光的偏振方向PF平行于纸面，该偏振方向为BBO一类相位匹配基频光偏振方向，产生的倍频光与基频光偏振方向正交的偏振方向P2H，倍频光偏振方向垂直于纸面。此外，BF通过旋转角度选择所需的基频光波长，例如ˉ690nm，并且可将基频光线宽控制在一定范围，对应可以将倍频光ˉ345nm线宽控制在5nm以内。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种激光器芯片装置，包括芯片层；其特征在于，所述芯片装置还包括：与芯片层接触的导热层、及将所述芯片层和所述导热层置于其内部的第一散热壳体；

所述芯片装置还包括制冷器，所述制冷器接触连接于所述第一散热壳体的外壁上；

所述芯片装置还包括第二散热壳体，所述第一散热壳体及所述制冷器设置于所述第二散热壳体的内部；

所述制冷器以其下表面接触置于所述第二散热壳体的底壁，并所述第一散热壳体接触置于所述制冷器的上表面。

2.如权利要求1所述的激光器芯片装置，其特征在于，所述芯片装置还还包括形成于所述第一散热壳体与所述第二散热壳体之间的密闭空腔，所述密闭空腔内充有干燥气体。

3.如权利要求1或2所述的激光器芯片装置，其特征在于，所述导热层以其下表面光学贴合于所述芯片层上表面上，并所述导热层的上表面与第一散热壳体顶壁接触。

4.如权利要求1或2所述的激光器芯片装置，其特征在于，所述导热层为碳化硅。

5.如权利要求1或2所述的激光器芯片装置，其特征在于，所述第一散热壳体和所述第二散热壳体均为铜散热壳体。

6.如权利要求1或2所述的激光器芯片装置，其特征在于，所述芯片层包括基座层、量子阱层及设置于二者之间的反射层。

7.一种激光器，包括光源；其特征在于，所述激光器还包括权利要求1-6任一项所述的芯片装置、及与所述芯片装置配合的泵浦装置。

8.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述泵浦装置包括中心设有通光孔的抛物面反射镜，所述芯片装置设置于所述抛物面反射镜的凹面一侧的中心轴线上，并与所述通光孔相对；所述泵浦装置还包括相对于所述抛物面的中心轴线对称设置的第一反射镜和第二反射镜，以便经由芯片装置反射回所述抛物面反射镜的第一光线，经由所述第一反射镜和所述第二反射镜再次反射回所述抛物面反射镜。

9.如权利要求8所述的激光器，其特征在于，所述泵浦装置还包括相对于所述中心轴线对称设置的第三反射镜及第四反射镜，以便经由芯片装置反射回所述抛物面反射镜的第二光线，经由所述第三反射镜和所述第四反射镜再次反射回所述抛物面反射镜。

10.如权利要求9所述的激光器，其特征在于，所述泵浦装置还包括相对于所述中心轴线对称设置的第五反射镜及第六反射镜，以便经由芯片装置反射回所述抛物面反射镜的第三光线，经由所述第五反射镜和所述第六反射镜再次反射回所述抛物面反射镜。

11.如权利要求10所述的激光器，其特征在于，所述泵浦装置还包括垂直于所述中心轴线设置的第七反射镜，以便经由芯片装置反射回所述抛物面反射镜的第四光线，以入射角为0度射于所述第七反射镜上。

12.如权利要求7-11任一项所述的激光器，其特征在于，所述泵浦装置还包括准直镜，所述光源发出的光线经由所述准直镜入射于所述抛物面反射镜上。

Images