CN112886382A

CN112886382A - 一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构与应用

Info

Publication number: CN112886382A
Application number: CN202010123613.XA
Authority: CN
Inventors: 王宝立; 徐现刚; 郑兆河; 开北超; 于果蕾
Original assignee: Shandong Huaguang Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Shandong Huaguang Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2021-06-01

Abstract

本发明涉及一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构与应用，属于半导体激光器封装技术领域，结构包括壳体、单组多台阶热沉、激光器芯片模块、快轴准直透镜、慢轴准直透、反射镜、固定座和光纤耦合器，单组多台阶热沉安装于壳体一侧，单组多台阶热沉的台阶上安装激光器芯片模块，激光器芯片模块发光一侧安装快轴准直透镜，慢轴准直透镜安装于快轴准直透镜透光一侧对应位置的壳体上，快轴准直透镜透光一侧的壳体上斜放反射镜，光纤耦合器通过固定座安装于反射镜反光一侧的壳体上，反射镜将光束反射进光纤耦合器。本发明有效减小激光传输光程，使得结构紧凑，方便修正激光器芯片贴装、台阶热沉焊接及光束准直造成的偏差，易于调整。

Description

一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构与应用

技术领域

本发明涉及一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构与应用，属于半导体激光器封装技术领域。

背景技术

半导体激光器以其效率高、寿命长、体积小等优势在工业加工、军事、医疗、安防等方面得到广泛应用。尤其伴随着光纤激光器的蓬勃发展，光纤耦合半导体激光器作为光纤激光器泵浦源也得到飞速的发展，大功率的光纤激光器对泵浦源的输出功率和光束质量要求也越来越高。目前业内常见的大功率光纤耦合半导体激光器采用的轴向阶梯结构，此结构包含多个(≥2)分体式台阶热沉、半导体激光器、快轴准直透镜、慢轴准直透镜以及紧固件，每个激光器芯片模块包含一个快轴准直透镜和一个慢轴准直透镜，经过准直后的光束直接排列在一起形成方形光斑，最后由光纤耦合器耦合到光纤中输出。该设计虽然单个结构相对简单，但是对单组激光器的装配要求很高，调整复杂，体积相对较大。

中国专利文件CN100576666公开了一种大功率光束耦合半导体激光器，包括同一波长相同偏振态的两个半导体激光器、扩束聚焦器件，所述的两个半导体激光器在同一光轴上相对放置，在两半导体激光器间的光路上设置一其斜面上镀有偏振膜的直角偏振耦合棱镜，在该直角偏振耦合棱镜的一侧直角面上贴置一四分之一波片，一个激光器的出射光束经直角偏振耦合棱镜反射后传输至扩束聚焦器件，另一个激光器的出射光束通过四分之一波片的反射实现偏振方向的90度旋转后与前述的反射光束耦合成一束传输。该激光器的安装调整较为复杂，工业应用较为困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，有效减小激光传输光程，使得结构紧凑，方便修正激光器芯片贴装、台阶热沉焊接及光束准直造成的偏差，易于调整，本发明所述的大功率为功率≥10W。

本发明还提供上述单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构的应用。

本发明的技术方案如下：

一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，包括壳体、单组多台阶热沉、激光器芯片模块、快轴准直透镜、慢轴准直透镜、反射镜、固定座和光纤耦合器，其中：

所述单组多台阶热沉安装于壳体一侧，单组多台阶热沉的台阶上安装有激光器芯片模块，激光器芯片模块发光一侧安装快轴准直透镜，快轴准直透镜透光一侧对应位置的壳体上安装有慢轴准直透镜；

所述快轴准直透镜透光一侧的壳体上斜放反射镜，反射镜与快轴准直透镜成一定夹角，光纤耦合器通过固定座安装于反射镜反光一侧的壳体上，反射镜将光束反射进光纤耦合器。

优选的，反射镜与快轴准直透镜成45°夹角，预设45°，实际以光纤耦合输出功率为准进行调整。

优选的，单组多台阶热沉的台阶至少设置2个，激光器芯片模块至少设置2个。

优选的，激光器芯片模块为宽发射面大功率半导体激光器，发光区宽度为95um、190um或390um，波长为808nm、885nm、888nm、915nm、940nm或976nm。

优选的，快轴准直透镜为非球面柱状透镜，形状为半圆柱体，S1面为曲面，S2面为平面，快轴准直透镜通过S2面安装于激光器芯片模块，快轴准直剩余发散角≤5mrad，S1、S2两面镀AR膜，透射率≥99.5％@785-985nm，激光损伤阈值：≥15KW/cm^2。

优选的，慢轴准直透镜为球面柱状透镜，形状为长方体，S1一面设置为曲面，S1面对面的平面为S2面，慢轴准直剩余发散角≤15mrad，S1、S2两面镀AR膜，透射率≥99.5％@785-985nm，入射角AOI＝0-12.5Deg，激光损伤阈值≥10KW/cm^2。

优选的，反射镜为45度高反射率镜，反射率≥99％，S面为不透光平面，S面不透射，全反射，S面镀膜，反射率AR≥99％@780-900nm，反射率BR≥99％@900-1000nm，入射角AOI＝45+/-5Deg，激光损伤阈值：≥10KW/cm^2。

优选的，单组多台阶热沉的台阶上设置有引流槽，激光器芯片模块烧结于单组多台阶热沉上时，溢出的部分焊料会随引流槽排至下方热沉处，避免腔面发光区污染，影响后续快轴准直。

一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构的应用，步骤如下：

单组多台阶热沉上的多个激光器芯片模块发出的光束依次经过快轴准直透镜和慢轴准直透镜，对光束进行快轴和慢轴的准直工艺，反射镜将准直后的光束交叉合并，形成一个近似方形光斑，最终由光纤耦合器耦合至光纤中输出。

本发明的有益效果在于：

1、本发明有效减小激光传输光程，使得结构紧凑，方便修正激光器芯片贴装、台阶热沉焊接及光束准直造成的偏差，易于调整。

2、本发明的单组多台阶热沉在激光器芯片贴装时，起到定位的作用，有助于激光器芯片准确贴装至热沉的设计位置，极大的提高了产品封装效率，降低了时间成本,保证贴装质量。

3、本发明的激光器芯片模块通过单组多台阶热沉进行贴装，避免出现热沉挡光干涉，导致损失部分能量，大大提高输出功率，原有贴装工艺直接将激光器芯片模块贴装至热沉，不存在高度差，热沉会出现挡光干涉，降低输出功率。

4、本发明的单组多台阶热沉的台阶上设置有引流槽，激光器芯片烧结于单组多台阶热沉上时，溢出的部分焊料会随引流槽排至下方热沉处，避免腔面发光区污染，影响后续快轴准直。

附图说明

图1为本发明的壳体结构俯视图

图2为本发明的壳体结构示意图

图3为本发明的快轴准直透镜示意图

图4为本发明的慢轴准直透镜示意图

图5为本发明的反射镜示意图

图6为本发明的整体安装结构俯视图

图7为本发明的整体安装结构示意图

图8为本发明的光束经准直后的光斑示意图

图9为本发明的光束经反射镜后输出的光斑示意图

其中：1、激光器芯片模块；2、单组多台阶热沉；3、快轴准直透镜；4、慢轴准直透镜；5、反射镜；6、壳体；7、固定座；8、光纤耦合器；9、引流槽。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1-7所示，本实施例提供一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，包括壳体6、单组多台阶热沉2、激光器芯片模块1、快轴准直透镜3、慢轴准直透镜4、反射镜5、固定座7和光纤耦合器8，其中：

所述单组多台阶热沉2安装于壳体6一侧，单组多台阶热沉2的台阶上安装有激光器芯片模块1，激光器芯片模块1发光一侧安装快轴准直透镜3，快轴准直透镜3透光一侧对应位置的壳体上安装有慢轴准直透镜4；

所述快轴准直透镜3透光一侧的壳体上斜放反射镜5，反射镜与快轴准直透镜成45°夹角，光纤耦合器8通过固定座7安装于反射镜5反光一侧的壳体6上，反射镜5将光束反射进光纤耦合器8，单组多台阶热沉2的台阶设置2个，激光器芯片模块1设置2个。

实施例2：

一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，激光器芯片模块1为宽发射面大功率半导体激光器，发光区宽度为95um，波长为808nm。

实施例3：

一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，激光器芯片模块1为宽发射面大功率半导体激光器，发光区宽度为190um，波长为885nm。

实施例4：

一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，激光器芯片模块1为宽发射面大功率半导体激光器，发光区宽度为190um，波长为888nm。

实施例5：

一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，激光器芯片模块1为宽发射面大功率半导体激光器，发光区宽度为390um，波长为915nm。

实施例6：

一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，激光器芯片模块1为宽发射面大功率半导体激光器，发光区宽度为390um，波长为940nm。

实施例7：

一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，激光器芯片模块1为宽发射面大功率半导体激光器，发光区宽度为390um，波长为976nm。

实施例8：

一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，结构如实施例1所述，不同之处在于，快轴准直透镜3为非球面柱状透镜，形状为半圆柱体，S1面为曲面，S2面为平面，快轴准直透镜3通过S2面安装于激光器芯片模块，快轴准直剩余发散角为5mrad，S1、S2两面镀AR膜，透射率＝99.5％@785-985nm，激光损伤阈值为15KW/cm^2；

慢轴准直透镜4为球面柱状透镜，形状为长方体，S1一面设置为曲面，S1面对面的平面为S2面，慢轴准直剩余发散角为15mrad，S1、S2两面镀AR膜，透射率＝99.5％@785-985nm，入射角AOI＝0-12.5Deg，激光损伤阈值为10KW/cm^2；

反射镜5为45度高反射率镜，反射率为99％，S面为不透光平面，S面不透射，全反射，S面镀膜，反射率AR＝99％@780-900nm，反射率BR＝99％@900-1000nm，入射角AOI＝45+/-5Deg，激光损伤阈值为10KW/cm^2。

实施例9：

一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，结构如实施例8所述，不同之处在于，单组多台阶热沉2的台阶上设置有引流槽9，激光器芯片模块1烧结于单组多台阶热沉2上时，溢出的部分焊料会随引流槽9排至下方热沉处，避免腔面发光区污染，影响后续快轴准直。

实施例10：

一种如实施例9所述的单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构的应用，步骤如下：

单组多台阶热沉2上的多个激光器芯片模块1发出的光束依次经过快轴准直透镜3和慢轴准直透镜4，对光束进行快轴和慢轴的准直工艺，光束准直后光斑如图8所示，反射镜5将准直后的光束交叉合并，形成一个近似方形光斑，如图9所示，最终由光纤耦合器3耦合至光纤中输出。

对比例：

对比例提供一种多芯单管光纤耦合半导体激光器，其结构为多个芯片分别焊接到多个并排的单管热沉上，然后经过快轴准直透镜和慢轴准直透镜进行准直，再由不同高度的反射镜水平反射到聚焦透镜处，最后聚焦耦合到光纤中输出，对比例与实施例10的参数对比如表1所示，由表1可知，实施例10的各项参数性能优于对比例，实施例10的产量相较于对比例明显提升，且故障率降低，提升效果显著。

表1：对比例与实施例10的参数对比

Claims

1.一种单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，包括壳体、单组多台阶热沉、激光器芯片模块、快轴准直透镜、慢轴准直透镜、反射镜、固定座和光纤耦合器，其中：

2.如权利要求1所述的单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，反射镜与快轴准直透镜成45°夹角。

3.如权利要求1所述的单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，单组多台阶热沉的台阶至少设置2个，激光器芯片模块至少设置2个。

4.如权利要求1所述的单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，激光器芯片模块为宽发射面大功率半导体激光器，发光区宽度为95um、190um或390um，波长为808nm、885nm、888nm、915nm、940nm或976nm。

5.如权利要求1所述的单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，快轴准直透镜为非球面柱状透镜，形状为半圆柱体，S1面为曲面，S2面为平面，快轴准直透镜通过S2面安装于激光器芯片模块，快轴准直剩余发散角≤5mrad，S1、S2两面镀AR膜，透射率≥99.5％@785-985nm，激光损伤阈值：≥15KW/cm^2。

6.如权利要求5所述的单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，慢轴准直透镜为球面柱状透镜，形状为长方体，S1一面设置为曲面，S1面对面的平面为S2面，慢轴准直剩余发散角≤15mrad，S1、S2两面镀AR膜，透射率≥99.5％@785-985nm，入射角AOI＝0-12.5Deg，激光损伤阈值≥10KW/cm^2。

7.如权利要求6所述的单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，反射镜为45度高反射率镜，反射率≥99％，S面为不透光平面，S面不透射，全反射，S面镀膜，反射率AR≥99％@780-900nm，反射率BR≥99％@900-1000nm，入射角AOI＝45+/-5Deg，激光损伤阈值：≥10KW/cm^2。

8.如权利要求1所述的单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构，其特征在于，单组多台阶热沉的台阶上设置有引流槽，激光器芯片模块烧结于单组多台阶热沉上时，溢出的部分焊料会随引流槽排至下方热沉处，避免腔面发光区污染，影响后续快轴准直。

9.一种如权利要求1所述的单组大功率光纤耦合半导体激光器封装结构的应用，其特征在于，步骤如下：

单组多台阶热沉上的多个激光器芯片模块发出的光束依次经过快轴准直透镜和慢轴准直透镜，对光束进行快轴和慢轴的准直工艺，反射镜将准直后的光束交叉合并，形成一个近似方形光斑，最终由光纤耦合器3耦合至光纤中输出。