一種半導體雷射光源的製作方法
2023-09-17 05:22:40
專利名稱：一種半導體雷射光源的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種半導體雷射光源，尤其涉及半導體雷射器的光纖耦合技術。
背景技術：
半導體雷射器又稱雷射二極體(Laser Diode)，是實用中最重要的一類雷射器。它 具有體積小、壽命長、運轉可靠、耗電量少等優點，在雷射通信、光存儲、光陀螺、雷射列印、 測距以及雷達等方面應用廣泛，在雷射顯示或其他需要高亮度、高光束質量雷射的場合中， 也常採用半導體雷射器作為光源。由於半導體雷射器存在輸出光為發散光束且功率密度相 對較低的問題，單個半導體雷射器往往無法滿足雷射顯示對光源的要求，因此在實際應用 中經常需要將多個半導體雷射器的輸出光耦合後輸出。目前將多個半導體雷射器的輸出光耦合輸出的方式有兩種一是將半導體雷射器 在晶片一級製作成半導體雷射陣列(即bar條)，再通過整形光學系統將陣列中每個半導體 雷射器的輸出光經過整形耦合到一起輸出；另一種方式是將多個獨立的半導體雷射器的輸 出光經過整形耦合到一起輸出，半導體雷射器可以串聯也可以並聯。由於多個獨立的半導 體雷射器在整形耦合前可進行篩選，並且可以採用單獨製冷，組合成的雷射光源可靠性、一 致性和壽命一般好於使用陣列的組件，因而應用較為廣泛。如授權公告號為CN201203679Y的中國實用新型專利《一種多路半導體雷射耦合 入單根光纖的結構》，即採用將多個獨立半導體雷射器的輸出光整形耦合到一起的方式，其 工作原理為將多個半導體雷射器晶片安裝於階梯型金屬熱沉上，每個半導體雷射器晶片前 都有一個微柱透鏡，對其光束快軸方向進行準直後形成平行、等間距的光束，每個經準直的 光束都照射到對應的反射鏡上，每個反射光束都由對應的柱透鏡對慢軸方向進行準直，得 到快、慢軸方向都被壓縮的、互相平行並且其間距也被壓縮的組合光束，該光束由透鏡聚焦 耦合進入多模光纖。該專利具有外形緊湊，靈活度高，適用廣泛的優點。但是為了安裝微柱 透鏡和反射鏡，需要設置反射鏡熱沉，然後將反射鏡熱沉與階梯型金屬熱沉相對安裝並固 定在一個底板上，再將耦合透鏡和多模光纖安裝在光路中，整體結構較為複雜，調試也較復 雜，對操作者的技術水平要求較高。又如專利號為US6M0116B1的美國專利《用於實現高光束質量和高亮度的雷射二 極管陣列》，主要結構包括階梯型熱沉、多個半導體雷射器、用於減小輸出光束髮散度的透 鏡，為了減小半導體雷射器輸出光之間的空隙(死區)，其中至少一個實施例中，還包括一 個反射鏡陣列，反射鏡陣列將半導體雷射器輸出光耦合入光纖，最終得到了一些互相平行 的準直光束，這些相鄰準直光束髮散角幾近於零，並且相鄰光束之間的「死區」寬度被限制 到小於某一光束的直徑。該專利中，反射鏡陣列設置時需要滿足任何一束光只照射到對應 的反射鏡而不照射到相鄰的反射鏡上，對於反射鏡的間距、反射鏡的大小都有嚴格要求，因 此結構較為複雜，製造成本較高，且對操作者的專業知識有一定要求。由上可見，目前雖然已經存在多種雷射二極體陣列和光束組合系統，但在一些對 光束質量、功率密度要求不高的領域，還缺乏一種體積較小，結構簡單，操作簡便的半導體雷射光源。
實用新型內容為解決現有技術存在的體積較大、結構複雜、對操作人員要求高的問題，本實用新 型提供一種體積小，結構簡單，操作簡便的半導體雷射光源。本實用新型解決上述技術問題所採用的技術方案如下面所描述一種半導體雷射光源，包括具有N個階梯的熱沉，所述的每個階梯包括半導體激 光器安裝面和微透鏡安裝面；M個半導體雷射器，分別設置在N個半導體雷射器安裝面中的M個半導體雷射器安 裝面上；M個微透鏡，分別設置在每個半導體雷射器前，用於將對應的半導體雷射器輸出光 進行準直，使所述半導體雷射器的輸出光形成準直光束，所述N和M均為自然數，且M < N。進一步地，優選的結構是，設所述半導體雷射器安裝面和微透鏡安裝面的夾角為 θ，所述 0 < θ 彡 180°。進一步地，優選的結構是，所述的半導體雷射器為單個半導體雷射器晶片、半導體 雷射器bar條、或者多個半導體雷射器晶片組成的半導體雷射器陣列。進一步地，優選的結構是，所述的半導體雷射器之間的電連接關係為串聯或並聯 連接關係。進一步地，優選的結構是，所述的半導體雷射器與熱沉之間的連接方式為焊接或 機械連接，所述的微透鏡與熱沉之間的連接方式為機械連接或膠接。進一步地，優選的結構是，所述的半導體雷射器與熱沉之間還可設有過渡熱沉，所 述的過渡熱沉固定在熱沉上。進一步地，優選的結構是，所述M個半導體雷射器發出的輸出光是相同波長的光。進一步地，優選的結構是，所述M個半導體雷射器發出的輸出光是不完全相同波 長的光。進一步地，優選的結構是，在所述熱沉上面的半導體雷射器安裝面上固定聚焦透
鏡ο本實用新型的有益效果如下面所描述第一、採用階梯狀熱沉，階梯的數目可以根據需要的雷射總功率和單個雷射器的 功率、發射波長種類選取，所選用的半導體雷射器波長可以相同也可以不同，因此雷射光源 具有很強的靈活性；第二、本實用新型在保證散熱的情況下，通過階梯設置半導體雷射器提高了單位 空間內的雷射器排列密度，相當於在相同輸出功率下縮小了雷射光源的整體體積，結構簡 單，調整方便，且能夠保證雷射耦合的效率和穩定性，提高了系統的易用性，適用於大規模 的模塊化生產。
通過
以下結合附圖對其示例性實施例進行的描述，本實用新型上述特徵和優點將 會變得更加清楚和容易理解。[0024]圖1是本實用新型的半導體雷射光源具體實施例的工作原理示意圖；圖2是本實用新型的半導體雷射光源另一具體實施例的工作原理示意圖；圖3是本實用新型的半導體雷射光源另一具體實施例的工作原理示意圖；圖4是本實用新型的半導體雷射光源另一具體實施例的工作原理示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例來對本實用新型進行一個詳細的描述。(實施例一)圖1是本實用新型的半導體雷射光源具體實施例的工作原理示意圖。 所述半導體雷射光源包括具有N個階梯的熱沉，所述的每個階梯包括半導體雷射器安裝面和微透鏡安裝 面；M個半導體雷射器，分別設置在N個半導體雷射器安裝面中的M個半導體雷射器安 裝面上；M個微透鏡，分別設置在每個半導體雷射器前，用於將對應的半導體雷射器輸出光 進行準直，使所述半導體雷射器的輸出光形成準直光束，所述N和M均為自然數，且M < N。本實用新型實施例中以N為5，M為5為例進行說明，但不限於這種選擇。如圖1所示，具有5個階梯2的熱沉1，所述的每個階梯2包括半導體雷射器安裝 面21和微透鏡安裝面22 ；5個半導體雷射器3，分別設置在5個半導體雷射器安裝面21上； 5個微透鏡4，分別設置在每個半導體雷射器3前，用於將對應的半導體雷射器輸出光進行 準直，使所述半導體雷射器3的輸出光形成準直光束，準直光束經聚焦透鏡51聚焦、耦合進 入光纖52之中。在該具體實施例之中，5個半導體雷射器3為相同的半導體雷射器，即5個半導體 雷射器3的輸出光的波長相同。相同的半導體雷射器3的輸出光經過對應的微透鏡4準直 以後形成光軸平行、等間距的準直光束。需要說明的是，由於5個半導體雷射器3輸出光在快軸方向上的發散角比較大， 因此經對應的微透鏡4準直後的準直光束不可能形成完全平行的光，而是具有一定的發散 角。在一些對光束質量、功率密度要求不高的場合，對光束之間的「死區」寬度限制較少，因 此允許準直光束可以存在一定的發散角，只要使得所有入射光束能通過聚焦透鏡51聚焦、 耦合入光纖52即可。從上面描述可以看出上述技術方案僅僅對聚焦透鏡的直徑有要求，因此結構簡 單，易於製造。其中，每個階梯2上的半導體雷射器安裝面21和微透鏡安裝面22的夾角θ可以 是90°，也可以是其它的角度。5個半導體雷射器3與熱沉1之間的固定方式可以是焊接，也可採用機械連接，例 如螺接或鉚接；5個微透鏡4與熱沉1之間通過對應的安裝架6機械連接，也可採用膠接， 本實用新型實施例對各個元件之間的固定方式不做限定。並且，半導體雷射器3可以選擇單個半導體雷射器晶片，也可選用半導體雷射器 bar條或多個半導體雷射器晶片組成的半導體雷射器陣列。[0043]5個半導體雷射器3之間電連接方式為串聯，也可採用並聯，這些都是本領域技術 人員所能知曉的，在此不再贅述。(實施例二)圖2是本實用新型的半導體雷射光源另一具體實施例的工作原理示意圖。參見圖2所示，本實用新型實施例仍以N為5，M為5為例進行說明。所述半導體 雷射光源包括具有5個階梯2的熱沉1，所述的每個階梯2包括半導體雷射器安裝面21和微透 鏡安裝面22 ；5個半導體雷射器3，分別設置在5個半導體雷射器安裝面21上；5個微透鏡 4，分別設置在每個半導體雷射器3前，用於將對應的半導體雷射器輸出光進行準直，使所 述半導體雷射器的輸出光形成準直光束，準直光束經聚焦透鏡51聚焦以後耦合進入光纖 52之中。在該實施例之中，5個半導體雷射器3可以是不完全相同的半導體雷射器，即5個 半導體雷射器3輸出光的波長不完全相同。在5個半導體雷射器3不完全相同的情況下， 5個半導體雷射器3的輸出光經過對應的微透鏡4準直後形成的準直光束照射到聚焦透鏡 51上會出現光斑相互疊加的現象，但是這種光斑相互疊加的現象對雷射的耦合影響很小， 因此本實施例不考慮光斑相互疊加帶來的影響。本實施例中多個半導體雷射器3可以分別是紅、藍、綠光半導體雷射器。其他的結構都與圖1所述的實施例是類似的。即每個半導體雷射器安裝面21和 微透鏡安裝面22的夾角θ可以是90°，也可以是其它的角度。所述的半導體雷射器3與熱沉1之間的固定方式可以是焊接，也可採用其它的固 定方式，例如螺接或鉚接，所述的微透鏡4與熱沉1之間通過安裝架6固定連接，也可採用 膠接，本實用新型實施例對各個元件之間的固定方式不做限定。實施例之中，半導體雷射器3選取單個半導體雷射器晶片。(實施例三)圖3是本實用新型的半導體雷射光源另一具體實施例的工作原理示意圖。本實用 新型實施例主要結構與實施例一相同。如圖3所示，本實用新型實施例中仍以N為5，M為5為例進行說明。所述半導體 雷射光源包括具有5個階梯2的熱沉1，所述的每個階梯2包括半導體雷射器安裝面21和微透 鏡安裝面22 ；5個半導體雷射器3，分別設置在5個半導體雷射器安裝面上；5個微透鏡4， 分別設置在每個半導體雷射器3前，用於將對應的半導體雷射器輸出光進行準直，使所述 半導體雷射器3的輸出光形成準直光束(圖中只畫出準直光束的光軸)，準直光束經聚焦透 鏡51聚焦以後耦合進入光纖52之中。與實施例一的區別在於，半導體雷射器3與半導體雷射器安裝面21之間還設有過 渡熱沉7，所述的過渡熱沉7固定在半導體雷射器安裝面21上。一般地，過渡熱沉7選用熱傳導係數較大的材料，熱沉1選用比熱容較大的材料， 因此，半導體雷射器3產生的熱量能夠通過過渡熱沉7較快傳導到熱沉1中，實現對半導體 雷射器3工作溫度的控制。(實施例四)[0060]圖4是本實用新型的半導體雷射光源另一具體實施例的工作原理示意圖。本實用 新型實施例以包含4個半導體雷射器為例進行說明，但不限於4個半導體雷射器。參見圖4所示，本實用新型實施例中以N為5，M為4為例進行說明。所述半導體 雷射光源，包括具有5個階梯2的熱沉1，所述的每個階梯2包括半導體雷射器安裝面21和微透 鏡安裝面22 ；4個半導體雷射器3，分別設置在5個半導體雷射器安裝面21中的4個半導 體雷射器安裝面21上；4個微透鏡4，分別設置在每個半導體雷射器3前，用於將對應的半 導體雷射器輸出光進行準直，使所述半導體雷射器的輸出光形成準直光束，準直光束經聚 焦透鏡51聚焦以後耦合進入光纖52之中。在本實施例中，4個半導體雷射器3可以是不完全相同的半導體雷射器，即半導體 雷射器3輸出光的波長不完全相同。在多個半導體雷射器3不完全相同的情況下，多個半 導體雷射器3的輸出光經過微透鏡4準直後形成的準直光束照射到聚焦透鏡51上會出現 光斑相互疊加的現象，但是這種光斑相互疊加的現象對雷射的耦合影響很小，因此本實施 例不考慮光斑相互疊加帶來的影響。所述的5個階梯2中，最下方一個階梯的半導體雷射器安裝面21和微透鏡安裝面 22的夾角等於90°，也可以是其它角度，在該階梯的半導體雷射器安裝面21上設置聚焦透 鏡51。其餘4個階梯的半導體雷射器安裝面21和微透鏡安裝面22的夾角等於120°，也 可以是大於90°的其它角度，方便微透鏡4的安裝。在該實施例之中，聚焦透鏡51是直接 固定在熱沉1上，聚焦透鏡51與熱沉1集成，簡化了結構，縮減了應用成本，縮小了光源整 體體積。所述的半導體雷射器3為單個半導體雷射器晶片，半導體雷射器3之間電連接方 式為並聯。所述的半導體雷射器3與熱沉1之間的固定方式為焊接，也可採用螺接，所述的 微透鏡4與熱沉1之間通過安裝架6固定連接，也可採用膠接。這些都是本領域技術人員 所能知曉的。最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制。盡 管參照實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本實用 新型的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本實用新型技術方案的精神和範圍，其 均應涵蓋在本實用新型的權利要求範圍當中。
權利要求1.一種半導體雷射光源，其特徵在於，包括具有N個階梯的熱沉，所述的每個階梯包括半導體雷射器安裝面和微透鏡安裝面； M個半導體雷射器，分別設置在N個半導體雷射器安裝面中的M個半導體雷射器安裝面上；M個微透鏡，分別設置在每個半導體雷射器前，用於將對應的半導體雷射器輸出光進行 準直，使所述半導體雷射器的輸出光形成準直光束，所述N和M均為自然數，且M < N。
2.根據權利要求1所述的半導體雷射光源，其特徵在於，設所述半導體雷射器安裝面 和微透鏡安裝面的夾角為9，所述0< θ彡180°。
3.根據權利要求1所述的半導體雷射光源，其特徵在於所述的半導體雷射器為單個半 導體雷射器晶片，半導體雷射器bar條，或者多個半導體雷射器晶片組成的半導體雷射器 陣列。
4.根據權利要求1或3所述的半導體雷射光源，其特徵在於所述的半導體雷射器之間 的電連接關係為串聯或並聯連接關係。
5.根據權利要求1所述的半導體雷射光源，其特徵在於所述的半導體雷射器與熱沉 之間的連接方式為焊接或機械連接，所述的微透鏡與熱沉之間的連接方式為機械連接或膠接。
6.根據權利要求1或5所述的半導體雷射光源，其特徵在於所述的半導體雷射器與熱 沉之間還設有過渡熱沉，所述的過渡熱沉固定在熱沉上。
7.根據權利要求6所述的半導體雷射光源，其特徵在於所述過渡熱沉固定在熱沉臺階 上的半導體雷射器安裝面上。
8.根據權利要求1所述的半導體雷射光源，其特徵在於所述M個半導體雷射器發出的 輸出光是相同波長的光。
9.根據權利要求1所述的半導體雷射光源，其特徵在於所述M個半導體雷射器發出的 輸出光是不完全相同波長的光。
10.根據權利要求8或9所述的半導體雷射光源，其特徵在於在所述熱沉的半導體雷射 器安裝面上固定聚焦透鏡。
專利摘要本實用新型公開了一種半導體雷射光源，包括具有N個階梯的熱沉，所述的每個階梯包括半導體雷射器安裝面和微透鏡安裝面；M個半導體雷射器，分別設置在N個半導體雷射器安裝面中的M個半導體雷射器安裝面上；M個微透鏡，分別設置在每個半導體雷射器前，用於將對應的半導體雷射器輸出光進行準直，使所述半導體雷射器的輸出光形成準直光束，所述N和M均為自然數，且M≤N。本實用新型在保證散熱的情況下，通過階梯設置半導體雷射器提高了單位空間內的雷射器排列密度，相當於在相同輸出功率下縮小了雷射光源的整體體積，結構簡單，調整方便，且能夠保證雷射耦合的效率和穩定性，提高了系統的易用性。
文檔編號H01S5/40GK201868730SQ20102061211
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月17日 優先權日2010年11月17日
發明者劉誼元, 張瑛, 畢勇 申請人:北京中視中科光電技術有限公司