雷射二極體的準直封裝結構的製作方法

2023-06-12 13:27:26 1

專利名稱：雷射二極體的準直封裝結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種針對雷射二極體(LD)的準直封裝結構，能夠提高雷射二極體輸 出光束的光束質量，提高遠場光亮度，提高耦合，聚焦性能。
背景技術：
上世紀80年代以來，隨著半導體材料生長技術、雷射器封裝和製冷技術的進步， 大功率、長壽命、高封裝密度的大功率半導體雷射器逐漸成熟。近年來，具有輸出功率高、體 積小、壽命長等優點的半導體雷射器迅速地發展起來，在工業、科研、醫藥等諸多領域，諸如 工業雷射加工、焊接、泵浦固體雷射器、雷射手術等許多方面得到越來越廣泛的應用。但是 半導體雷射器固有的光束質量差，光亮度低，利用光束整形技術以提高其輸出功率密度就 是一個熱點的研究方向。光束整形不僅可以改善半導體雷射器的光束質量，提高半導體激 光器光亮度，而且可以極大降低光纖耦合輸出的難度，可以實現較小尺寸光纖的耦合輸出。
半導體雷射器發出的光在垂直於PN結方向(快軸方向)和平行於PN結方向(慢 軸方向)的光束質量相差很大。快軸方向發散角約為40。，發光區約為lym，為衍射極限 高斯光束，M2因子約等於1，而慢軸方向發散角約為6. 5° ，發光區約為150 ii m，為多模高斯 光束，M2因子約等於30.由於快軸發散角太大，導致發出的光束在傳播方向上迅速的發散， 在許多需要高功率密度的場合以及需要在稍遠的距離上使用的情況下都無法直接使用。現 在一般使用的小芯徑的光纖進行快軸準直，但是光纖壓縮很難同時獲得較小的快軸發散角 和慢軸發散角。我們使用的自聚焦透鏡15，通過精確調節其端面與雷射二極體之間的距離， 在出射端同時獲得較小的快軸和慢軸發散角。

發明內容
本發明的目的在於提供一種簡單易行，成本低廉的獲得準直輸出的雷射二極體的 準直封裝結構。
本發明提供一種雷射二極體的準直封裝結構，其特徵在於，包括 —第一熱沉，該第一熱沉為矩形，該第一熱沉的中間開有一橫向通孔； —第二熱沉，該第二熱沉為矩形，該第二熱沉的中間開有一橫向通孔； — T0-3管殼，該T0-3管殼位於第一熱沉的一側，該第二熱沉與第一熱沉通過橫向
通孔用螺絲與T0-3管殼固定； —陶瓷座，該陶瓷座的上面有一凹槽，該陶瓷座位於第二熱沉的上面；
—自聚焦透鏡，該自聚焦透鏡位於陶瓷座上的凹槽內； —管芯，該管芯固定在第一熱沉的上面，該管芯的中心線與自聚焦透鏡的中心線 在同一直線上。 其所述的陶瓷座上的凹槽為矩形或半圓形或V形，使自聚焦透鏡固定於其上時，
以保持自聚焦透鏡與陶瓷座的側邊及底邊平行。 其所述的第二熱沉的高度小於第一熱沉的高度。
其所述的第一、第二熱沉之間以及第一熱沉和T0-3管殼之間襯有銦箔。


為進一步說明本發明的具體技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如後，其 中 圖1是兩端平面的自聚焦透鏡15與管芯16位置的示意圖； 圖2是一端球面的自聚焦透鏡15與管芯16位置的示意圖； 圖3是本發明的結構立體示意圖； 圖4是本發明的位置結構示意圖； 圖5是陶瓷座的原理示意圖具體實施例方式
請參閱圖3和圖4所示，並結合參閱圖1、圖2和圖5，本發明一種雷射二極體的準 直封裝結構，包括 —第一熱沉ll，該第一熱沉11為矩形，該第一熱沉11的中間開有一橫向通孔
111 ; —第二熱沉12，該第二熱沉12為矩形，該第二熱沉12的中間開有一橫向通孔 121 ;所述的第二熱沉12的高度小於第一熱沉11的高度，以使其上的自聚焦透鏡15能與管 芯16中心線處於同一直線上； — T0-3管殼13，該T0-3管殼13位於第一熱沉11的一側，該第二熱沉12與第一 熱沉11通過橫向通孔111、 121用螺絲與T0-3管殼13固定； —陶瓷座14，該陶瓷座14的上面有一凹槽141，該陶瓷座14位於第二熱沉12的 上面；所述的陶瓷座14上的凹槽141為矩形或半圓形，使自聚焦透鏡15固定於其上時，以 保持自聚焦透鏡15與陶瓷座14的側邊及底邊平行； —自聚焦透鏡15，該自聚焦透鏡15位於陶瓷座14上的凹槽141內； —管芯16，該管芯16固定在第一熱沉11的上面，該管芯16的中心線與自聚焦透
鏡15的中心線在一條直線上。 所述的第一、第二熱沉11、12之間以及第一熱沉11和T0-3管殼13之間襯有銦箔， 以消除銅塊間因表面不平整而造成的空氣縫隙。 本發明是這樣實現的。由於藉助與陶瓷劃片等高精度加工系統可以加工出非常精 密的陶瓷器件，本發明利用了陶瓷的這一特性。為了消除第一熱沉11與T0-3管殼13之間 螺絲固定時可能產生的旋轉誤差，使第一熱沉11能保持精確放置，在第一熱沉11與T0-3 管殼13接觸的上邊沿固定有一矩形陶瓷。自聚焦透鏡固定陶瓷座14，其特徵在於如圖5所
示，陶瓷座14厚t，槽寬為2al ，槽深dl，自聚焦透鏡15直徑為rl，滿足關係a, = ，
按此種方式固定的自聚焦透鏡15能與陶瓷座12底面保持水平，同時保證透鏡與陶瓷座 14的槽保持平行，方便自聚焦透鏡15與調試與裝配。實用中根據不同的自聚焦透鏡15直 徑rl，以及所需的槽深dl，計算出所需的槽寬2a1.本發明製作模塊時選取的槽深dl為 0. 7mm。第二熱沉12的高度略小於由此式決定h = t+rl-dl (mm)，留有空隙使用紫外膠，將 第二熱沉12與第一熱沉11疊在一起用螺絲固定在T0-3管殼上。
LD與自聚焦之間的距離d確定方式如下
自聚焦透鏡的折射率分布一般可以表述為
n2(r) = n02(l-ar2) (1) n。為透鏡軸線的折射率，V^為聚焦常數，z為自聚焦透鏡的長度，r為自聚焦透 鏡軸向坐標，R為帶球面自聚焦透鏡球面的曲率半徑。對於兩端都是平面的自聚焦透鏡的 ABCD矩陣在近軸近似下，可以表述為
formula see original document page 5
其中z為自聚焦透鏡的長度。對於一端有球面的自聚焦透鏡，其光路可參見圖 (2)，其傳輸矩陣可以表示為
formula see original document page 5 M2 =
入 W
經過一段距離d的矩陣可以表示為 1 d、
formula see original document page 5 所以經過一端距離d的光束，經過普通自聚焦透鏡，其光路可參見圖l，傳輸矩陣 可以表示為
formula see original document page 5



formula see original document page 5而經過一端距離d的光束，然後進入頭部有球面的自聚焦傳輸的矩陣可以表示為COSI
C_、 ， sin(V^)x(l-M。) 麵每
,,廠、sin(A/Gz)x(l-M0)w sin(V^z)
—"。"n(V^)+咖(^咖("。)(-"。"(7^) +咖(^)x(1—"。))x"^^ ,廠、,廠、sin(V^z)x(l-"o)
(7)
cos(
, ,廠、sin(V^z)x(1 —"。)、j sin(V^z) (cos(V。z) + ~、廠,、2——^")J + ——^
廠w廠、cos(V^)x(l-w。) -M0 V " sin( +——^-^-^
/ 廠 ,廠、cos(>/^z)x(l-w0)、 j cos(V^z)
(一"o V fl sin(V az) +——^-^-x d +——^-^
Dl= r"。 "o (8) 由於不同的dO對應著不同的傳輸矩陣，所以可以通過不同的傳輸矩陣，計算出傳 輸一段距離後對應的復傳播係數q2，再通過分離q2的實部虛部，得到對應的遠場光斑大 小。
(爿+5/《)2wV力+(;ls)2
(9)
<2) 2;t力=. 及:
(爿+ 5/《)(c + D/i 一" + ;ii2 5Z) qo)
針對不同種類的自聚焦透鏡，計算出使遠場光斑最小的do，並精確調節自聚焦透
鏡與LD之間的距離d0使之滿足準直條件，使用紫外膠將陶瓷座14與第二熱沉12固定，以 達到準直封裝的要求。 T0-3管殼，第一熱沉ll，第二熱沉12由於加工精度上的誤差，相接觸面存在縫隙， 本發明選取0. 4mm厚銦箔襯在兩者之間，施以一定的壓力，利用銦箔柔軟的特性以及良好 的導熱特性，填補兩者間的縫隙，使之能到達良好的散熱效果。
權利要求
一種雷射二極體的準直封裝結構，其特徵在於，包括一第一熱沉，該第一熱沉為矩形，該第一熱沉的中間開有一橫向通孔；一第二熱沉，該第二熱沉為矩形，該第二熱沉的中間開有一橫向通孔；一TO-3管殼，該TO-3管殼位於第一熱沉的一側，該第二熱沉與第一熱沉通過橫向通孔用螺絲與TO-3管殼固定；一陶瓷座，該陶瓷座的上面有一凹槽，該陶瓷座位於第二熱沉的上面；一自聚焦透鏡，該自聚焦透鏡位於陶瓷座上的凹槽內；一管芯，該管芯固定在第一熱沉的上面，該管芯的中心線與自聚焦透鏡的中心線在同一直線上。
2. 根據權利要求1所述的雷射二極體的準直封裝結構，其特徵在於，其所述的陶瓷座 上的凹槽為矩形或半圓形或V形，使自聚焦透鏡固定於其上時，以保持自聚焦透鏡與陶瓷 座的側邊及底邊平行。
3. 根據權利要求1所述的雷射二極體的準直封裝結構，其特徵在於，其所述的第二熱 沉的高度小於第一熱沉的高度。
4. 根據權利要求1所述的雷射二極體的準直封裝結構，其特徵在於，其所述的第一、第 二熱沉之間以及第一熱沉和T0-3管殼之間襯有銦箔。
全文摘要
一種雷射二極體的準直封裝結構，其特徵在於，包括一第一熱沉，該第一熱沉為矩形，該第一熱沉的中間開有一橫向通孔；一第二熱沉，該第二熱沉為矩形，該第二熱沉的中間開有一橫向通孔；一TO-3管殼，該TO-3管殼位於第一熱沉的一側，該第二熱沉與第一熱沉通過橫向通孔用螺絲與TO-3管殼固定；一陶瓷座，該陶瓷座的上面有一凹槽，該陶瓷座位於第二熱沉的上面；一自聚焦透鏡，該自聚焦透鏡位於陶瓷座上的凹槽內；一管芯，該管芯固定在第一熱沉的上面，該管芯的中心線與自聚焦透鏡的中心線在同一直線上。
文檔編號H01S5/022GK101752784SQ200810238878
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月3日 優先權日2008年12月3日
發明者劉媛媛, 吳芃, 王翠鸞, 韓淋, 馬驍宇 申請人:中國科學院半導體研究所