緊湊型固體雷射非線性頻率變換晶片優化封裝結構的製作方法

2023-05-19 14:02:36 1

專利名稱：緊湊型固體雷射非線性頻率變換晶片優化封裝結構的製作方法
技術領域：
本專利涉及一種緊湊型固體雷射非線性頻率變換晶片優化封裝結構，適用於雷射投影顯示尤其是雷射微型投影顯示，以及採用固體雷射非線性頻率變換光源的領域。
背景技術：
利用光膠或膠合工藝製作的傳統緊湊型綠光雷射晶片在雷射筆，舞檯燈光，準直線工具等低功率市場得到了廣泛應用。近年來，雷射微型投影顯示產業迫切需要較高功率的紅，綠，藍三基色雷射器(每種顏色需要的功率從150mW到1W)。顯然，傳統緊湊型綠光雷射晶片無法滿足雷射微型投影顯示的需求。雖然630nm紅光可以由鎵砷磷(GaAsP)半導體雷射器直接產生，並且460nm藍光也可以由銦鎵氮(InGaN)半導體雷射器產生，然而由半導體材料，例如，銦鎵氮材料產生綠光(約530nm)雷射還沒有研製成熟，而且預計在比較長的一段時間內綠光半導體雷射器將遠不如紅光、藍光半導體雷射器成熟。因此，高效，高功率， 高可靠性的緊湊型綠光雷射器成為了雷射投影顯示產業的瓶頸。通過二極體泵浦固體雷射器倍頻產生的緊湊型綠光雷射器是目前綠光雷射器的最佳途徑。將摻釹的釩酸釔晶體(NchYVO4)和磷酸鈦氧鉀晶體(KTiPOPO4,KTP)進行光膠或者膠合製作的緊湊型綠光雷射晶片(以下簡稱KTP光膠晶體或者KTP膠合晶體)雖然目前在除了雷射投影顯示以外的低功率領域獲得了廣泛的應用。然而，KTP光膠或膠合晶體具有許多缺點，KTP晶體材料方面的缺點包括KTP晶體的生長尺寸不大；KTP晶體的非線性係數小(drff約為3pm/V)；以及由於晶體生長的偏差導致的晶體光軸定位及切割方向定位不確定，從而導致了 KTP晶體之間的不一致性；尤其是普通KTP晶體的灰跡效應使得KTP晶體不適用於高功率(幾百毫瓦及以上)的應用，另外，由KTP產生的綠光也不是線偏振光。KTP 膠合晶體一般適用於功率小於IOmW的應用，而KTP光膠晶體一般只適用於功率小於IOOmW 的應用。因此，需要一種新型的緊湊型綠光晶體晶片來滿足不同的功率(例如IOOmW-IW) 並適合於大批量生產的需求。
發明內容為了克服KTP光膠晶體和KTP膠合晶體的低功率，低可靠性等缺點，本專利提供一種緊湊型綠光晶片優化封裝結構，該結構及其變化封裝結構可以產生150mW到IW的綠光， 甚至IW以上的綠光。本專利解決其技術問題所採用的技術方案是利用優化了的腔型結構及雷射晶體相關參數設計，將雷射晶體和非線性頻率變換晶體同時固定在一個熱沉上，二者之間留有空氣間隙。雷射晶體和熱沉之間以及非線性頻率變換晶體和熱沉之間填充有導熱介質，雷射晶體和非線性頻率變換晶體形成平平式雷射諧振腔結構。本專利的有益效果是，由於採用了不同參數設計的雷射晶體並優化了相應的空氣間隙尺寸，該結構可以獲得從150mW到IW的綠光，甚至IW以上的綠光輸出。同時，該封裝結構使用了已優化的散熱方式，近而可以獲得更高綠光功率輸出。該緊湊型綠光晶片可作為手機雷射投影引擎和可攜式雷射投影引擎所需要的高功率綠光光源之核心部件。以下結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1給出了本發明第一實施例的結構示意圖；圖2給出了本發明第二實施例的結構示意圖；圖3給出了本發明第三實施例的結構示意圖；圖4給出了本發明第四實施例的結構示意圖。圖5給出了本發明第五實施例的結構示意圖。圖中，1.雷射晶體，2.非線性倍頻晶體，3.熱沉，4.導熱介質，5.空氣間隙，6.雷射晶體的Sl面，7.雷射晶體的S2面，8.非線性倍頻晶體的S3面，9.非線性倍頻晶體的S4面。
具體實施方式
圖1給出了本發明第一實施例的結構示意圖(側視圖)，其中1是雷射晶體，2是非線性倍頻晶體，3是熱沉，4是導熱介質。雷射晶體1和非線性倍頻晶體2之間留有空氣間隙5 ；雷射晶體1和非線性倍頻晶體2形成平平式雷射諧振腔結構。雷射晶體1可為摻釹的釩酸鹽晶體，如摻釹釩酸釔(NchYVO4)等。非線性倍頻晶體2可為周期極化的摻氧化鎂鈮酸鋰(MgO = PPLN)或周期極化的鉭酸鋰(PPLT，PPSLT)等非線性倍頻晶體。雷射晶體1 的Sl面6鍍有對波長為1064nm雷射和532nm雷射的高反膜和對808nm雷射的增透膜；雷射晶體1的S2面7和非線性倍頻晶體2的S3面8鍍有對波長為1064nm雷射和532nm雷射增透的膜系；非線性倍頻晶體2的S4面9鍍有對波長為1064nm雷射的高反膜和對532nm 波長雷射的增透膜。雷射晶體1的Sl面6和非線性倍頻晶體2的S4面9互相平行，形成一種平平式雷射諧振腔結構。為了獲得不同的輸出功率，雷射晶體1的相關參數，如摻雜濃度和長度Ll等，空氣間隙5的長度L3，以及非線性倍頻晶體2的長度L2需要做相應的優化。例如，在一個具體實施例中，為達到IOOmW至150mW的532nm綠光，808nm泵浦光功率優選500mW至IW的半導體雷射器；雷射晶體1優選為Nd3+摻雜濃度為3%的Nd: YVO4,長度 Ll為0. 5mm至2mm ；非線性倍頻晶體2優選為MgO摻雜濃度為5 %的周期極化鈮酸鋰晶體 (MgOiPPLN)，長度L2為0. 5mm至2mm ；空氣間隙5的長度L3優選為0. 2mm至2mm。優化緊湊型綠光晶片的總長度為1. 2mm至6mm。在另一個具體實施例中，為達到IOOmW至500mW的 532nm綠光，808nm泵浦光功率優選500mW至2W的半導體雷射器；雷射晶體1優選為Nd3+摻雜濃度為2%的Nd: YVO4,長度Ll為Imm至3mm ；非線性倍頻晶體2優選為MgO摻雜濃度為 5%的周期極化鈮酸鋰晶體(MgO:PPLN)，長度L2為0. 5mm至2mm ；空氣間隙5的長度L3優選為Imm至3mm。優化緊湊型綠光晶片的總長度為2. 5mm至8mm。在另一個具體實施例中， 為達到300mW至IW的532nm綠光，808nm泵浦光功率優選1. 5W至3W的半導體雷射器；雷射晶體1優選為Nd3+摻雜濃度為2%的Nd: YVO4,長度Ll為2mm至3mm ；非線性倍頻晶體2 優選為MgO摻雜濃度為5%的周期極化鈮酸鋰(MgO:PPLN)，長度L2為0. 5mm至2mm ；空氣間隙5的長度L3優選為Imm至5mm。優化緊湊型綠光晶片的總長度為3. 5mm至10mm。在另一個具體實施例中，當採用3W以上的808nm半導體雷射器作為泵浦光產生IW以上的綠光時，空氣間隙5的長度為5mm以上，緊湊型綠光晶片的總長度在IOmm以上。為了有效地使雷射晶體1和非線性倍頻晶體2產生的熱迅速傳遞出去，熱沉4使用導熱率較高的材料。雷射晶體1以及非線性倍頻晶體2與熱沉之間通過導熱介質4粘合在一起。導熱介質4優選為導熱率較高的膠水，例如摻銀的環氧樹脂膠水，導熱矽膠等。圖2給出了本發明第二實施例的結構示意圖(側視圖)。為了使用導熱更好的金屬焊料，熱沉3上蒸鍍一層金屬層10，雷射晶體1和非線性倍頻晶體2與熱沉3接觸的表面也鍍有一金屬層10，雷射晶體1，非線性倍頻晶體2與熱沉3之間通過低溫金屬焊料11焊接在一起。金屬層10的材料包括，但並不局限於鋁，金，鉻。低溫金屬焊料11包括，但並不局限於，金屬銦焊料，銦錫焊料。在相同的泵浦光功率下，該緊湊型綠光晶片封裝結構能夠比圖1所示的綠光晶片產生更高的綠光功率。圖3給出了本發明第三實施例的結構示意圖(從通光方向看的正視圖)，即將如圖1所示的12 (在圖3中以虛線框標出)進一步封裝在一個U型的半封閉金屬夾具13中。 金屬夾具13的材料包括但並不局限於紫銅，黃銅，或者鋁。金屬夾具13和晶片12通過導熱介質4粘接在一起。導熱介質4優選為導熱的膠水，例如摻銀的環氧樹脂膠水，導熱矽膠等。該結構可以進一步改善該綠光雷射晶片的散熱性能，從而達到在相同的泵浦光功率下， 該緊湊型綠光晶片半封閉封裝結構能夠產生比晶片12更高的綠光功率，而且同時起到保護綠光晶片的作用。圖4給出了本發明第四實施例的結構示意圖(從通光方向看的正視圖)，即將如圖 2所示的晶片14(在圖4中以虛線框標出)進一步封裝在一個全封閉的金屬夾具15中。金屬夾具15的材料包括但並不局限於紫銅，黃銅，或者鋁。需要注意的是，晶片14與圖2所示的晶片中的金屬層10稍微不同。晶片14的金屬層10蒸鍍在雷射晶體1 (以及非線性倍頻晶體2)和熱沉3除了通光方向兩個面以外的四個面。該晶片14通過低溫金屬焊料11與全封閉的金屬夾具15焊接在一起。該結構可以進一步改善該綠光雷射晶片的散熱性能，從而達到在相同的泵浦光功率下，該緊湊型綠光晶片全封閉封裝結構能夠產生比晶片14更高的綠光功率，而且同時起到保護綠光晶片的作用。需要指出的是，圖1所示的晶片12完全可以封裝在全封閉的金屬夾具15中。同樣，圖2所示的晶片14也完全可以封裝在半封閉的金屬夾具13中。圖5給出了本發明第五實施例的結構示意圖(側視圖)，其中雷射晶體1和非線性晶體2分別封裝在U型的半封閉金屬夾具16和17中，然後二者同時通過調節封裝在金屬熱沉18上形成全金屬封閉結構。需要注意的是，雷射晶體1和非線性晶體2通過如圖3和圖4所述類似的方法分別封裝在U型的半封閉金屬夾具16和17中，因此該細節在圖5中並未給出。U型半封閉金屬夾具16和17，以及金屬熱沉18的材料包括但並不局限於紫銅， 黃銅，或者鋁。該結構可以進一步改善該綠光雷射晶片的散熱性能，從而達到在相同的泵浦光功率下，該緊湊型綠光晶片全封閉封裝結構能夠產生類似於圖3和圖4所示結構的綠光功率。上述雷射晶體1包括但並不局限於摻釹的釩酸鹽晶體，包括摻釹釩酸釔 (NchYVO4)，摻釹釩酸釓(NchGdVO4)等。非線性倍頻晶體2包括但並不局限於周期極化的摻氧化鎂同成分鈮酸鋰(c-MgO:PPLN)，周期極化的摻氧化鎂(近)化學計量比鈮酸鋰 (s-MgO :PPLN)，周期極化的摻氧化鎂(近)化學計量比鉭酸鋰(s-MgO :PPSLT)等。上述熱沉4可使用其他導熱率較高的材料，例如藍寶石，氮化鋁和矽等襯底，或者金屬材料例如紫銅，黃銅，鋁等。以上以倍頻為例說明了本發明的基本思想。顯然、本發明可應用於基於倍頻以外， 例如差頻、和頻等非線性過程的雷射光源。上述808nm半導體雷射器的泵浦方式不限於端面泵浦(通光方向泵浦)，也包括側面泵浦等其他泵浦方式。
權利要求1.緊湊型固體雷射非線性頻率變換晶片優化封裝結構，其特徵是，雷射晶體和非線性頻率變換晶體形成平平式雷射諧振腔結構，二者之間具有已優化結構參數的空氣間隙，二者同時或分別固定在熱沉上。
2.根據權利要求1所述的優化封裝結構，其特徵是，當採用500mW至IW的808nm半導體雷射器作為泵浦光產生IOOmW至150mW的綠光時，雷射晶體和非線性倍頻晶體之間的空氣間隙長度為0. 2mm至2mm，緊湊型綠光晶片的總長度為1. 2mm至6mm。
3.根據權利要求1所述的優化封裝結構，其特徵是，當採用500mW至2W的808nm半導體雷射器作為泵浦光產生IOOmW至500mW的綠光時，雷射晶體和非線性倍頻晶體之間的空氣間隙的長度為Imm至3mm，緊湊型綠光晶片的總長度為2. 5mm至8mm。
4.根據權利要求1所述的優化封裝結構，其特徵是，當採用1.5W至3W的808nm半導體雷射器作為泵浦光產生300mW至IW的綠光時，雷射晶體和非線性倍頻晶體之間的的空氣間隙的長度為Imm至5mm，緊湊型綠光晶片的總長度為3. 5mm至10mm。
5.根據權利要求1所述的優化封裝結構，其特徵是，當採用3W以上的808nm半導體雷射器作為泵浦光產生IW以上的綠光時，雷射晶體和非線性倍頻晶體之間的空氣間隙長度為5mm以上，緊湊型綠光晶片的總長度在IOmm以上。
6.根據權利要求1所述的封裝結構，其特徵是，雷射晶體和熱沉之間以及非線性倍頻晶體和熱沉之間的導熱介質是一種導熱粘合劑。
7.根據權利要求1所述的封裝結構，其特徵是，雷射晶體，非線性晶體和熱沉表面鍍有一層金屬薄膜，雷射晶體和熱沉之間以及非線性倍頻晶體和熱沉之間的導熱介質是一種導熱金屬焊料。
8.根據權利要求1所述的封裝結構，其特徵是，該結構封裝在一種半封閉的金屬導熱夾具中。
9.根據權利要求7所述的封裝結構，其特徵是，該結構封裝在一種全封閉的金屬導熱夾具中。
10.根據權利要求1所述的封裝結構，其特徵是，雷射晶體和非線性晶體分別封裝在一種半封閉的金屬導熱夾具中；然後二者分別通過調節封裝在金屬熱沉上。
專利摘要緊湊型固體雷射非線性頻率變換晶片優化封裝結構。該結構包括一塊雷射晶體，一塊非線性倍頻晶體以及一個熱沉。雷射晶體和熱沉之間以及非線性倍頻晶體和熱沉之間填充有一導熱介質；雷射晶體和非線性倍頻晶體之間留有空氣間隙；雷射晶體和非線性倍頻晶體形成平平式雷射諧振腔結構。通過優化雷射晶體的相關參數，如摻雜濃度等以及雷射晶體和非線性倍頻晶體之間的空氣間隙長度，可以產生150mW至1W，甚至1W以上的綠光輸出。
文檔編號H01S3/02GK202333425SQ20112041743
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月24日 優先權日2011年10月14日
發明者徐慶揚, 李向陽, 蘇紅平, 路洋 申請人:C2C晶芯科技公司, 南京長青雷射科技有限責任公司