CN101902017A - 一种多发光单元半导体激光器模块及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多发光单元半导体激光器模块及其制备方法，包括壳体、光纤跳线输出接口、盖板、正极、负极、半导体激光模块组、PCB电路板板、测控接口。光纤跳线输出接口置于壳体前端，半导体耦合模块组焊接在PCB电路板上后固定于壳体的底板上，测控接口置于壳体侧壁上，盖板固定于壳体上。本发明采用了多发光单元半导体激光器光纤耦合形式，结合了单管和BAR条产品的优点，省去了通常Bar条光束整形系统所需要的光束翻转、切割、重排等过程，采用独特的光纤耦合技术，工艺简单、安装方便使得无论从输出光斑均匀性还是成本等方面都具有很大的优势，本发明主要应用于大功率半导体激光器，可根据所选芯片的不同，生产出多种波长、多种功率的激光器。

Description

一种多发光单元半导体激光器模块及其制备方法

技术领域

本发明属于激光器制造领域，涉及一种激光器模块，尤其是一种多发光单元半导体激光器模块及其制备方法。

背景技术

半导体激光器又称激光二极管(LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。

半导体激光器及其光纤耦合系统在工业、医疗、军事等领域得到越来越广泛的应用。在众多应用中，体积小，重量轻，成本低的半导体激光器的耦合模块成为市场的关注重点和各国研究的焦点。

目前为了追求高功率和高亮度输出的半导体激光器耦合模块，通常是在半导体激光器(LD)前端加相应的光束整形系统，如对光束进行切割，旋转，重排等，将激光束压缩至需要的光斑输出(牛岗，樊仲维，王培峰等，“大功率半导体激光列阵单光纤耦合技术”，半导体学报，2007，28(10)：1607-1610)，这样使得耦合模块体积大，结构和工艺复杂，成本高。国内外相关产品很多，但多为两种芯片基础上开发出的产品，都存在一定的缺点：

(1)单管(Single Emitter)产品，该产品只有一个发光点，可以做到808nm，50μm，5W的激光输出，尽管光纤芯径很小，但由于功率的限制，亮度并不是很高。

(2)单Bar产品，该产品的发光点一般为19个或19个以上(如47个，62个)，针对这种Bar条，多使用切割、翻转、重排、聚焦的光束整形方式来实现光纤耦合输出，这类产品可以达到很高的功率，但由于采用了复杂的光学系统，成本很高，而且输出光纤芯径也不能做到很小，较难达到高亮度输出的目的。

(3)多Bar条产品，这类产品在功率方面具有绝对的优势，但很难使激光耦合进小芯径的光纤内，这就决定了该类产品的亮度不高。

综上所述，传统的半导体激光器光纤耦合方案中，激光芯片一般采用单管(Single Emitter)或者单Bar，而光学整形系统(主要是Bar条类)则往往需要进行复杂的光学切割、旋转、重排。传统技术具有以下缺点：

(1)基于Bar条的光纤耦合产品成本高，要求的驱动电流大。由于加入了复杂的光学系统，使得整个产品成本提高，降低了该类产品的市场竞争力，同时该类产品往往需要很高的驱动电流，这严重限制了产品的应用。

(2)功率和亮度偏低。对于单管光纤耦合产品，由于其功率的限制，很难做出大功率、高亮度的激光器产品。而对于Bar条光纤耦合产品，由于很难将光束耦合进小芯径的光纤中，所以亮度也不高。

(3)工艺复杂。常见的Bar条光纤耦合产品通常采用复杂的光学系统，以达到小芯径光纤耦合输出的目的，这种光学系统包含了复杂的光束整形透镜，在实际生产中，每增加一个透镜，工艺难度大大增加，同时也带来功率的损失。

(4)结构复杂。传统技术中，为了得到好的光束质量，无论是单管类还是Bar条类产品，均采用了复杂的光学整形系统，因此使得耦合模块的结构复杂，体积庞大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的缺陷，提供一种多发光单元半导体激光器模块及其制备方法，该种激光器模块无需进行复杂的光束整形系统，而是由多个耦合模块在壳体外进行耦合，采用多光纤排布合束输出的方法，使得输出光斑均匀、功率高，其具有制作工艺简单、电路可靠、光斑均匀、成本低的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种多发光单元半导体激光器模块，包括壳体，所述壳体的底板上设置有PCB电路板，所述PCB电路板上固定有多个带有光纤跳线的半导体激光模块组，所述壳体的前端设置有光纤跳线输出接口，各所述半导体激光模块组的光线跳线均接入光纤跳线输出接口上，所述壳体的侧壁上设置有分别连接至PCB电路板上的正极、负极和测控接口。

上述壳体的材料为铜、铝、金刚石或铜钨合金。

上述半导体激光模块组是由多个半导体激光模块串联组成。

上述的半导体激光模块是单管芯片、微型巴条或由多个单管芯片并联组成。

上述半导体激光器模块组并列排列或成阶梯状排列固定在PCB电路板上，且各半导体激光器模块组的激光发射方向一致。

进一步的，上述壳体内设有连接测控接口的功率探测器、温度探测器或TEC温控的一种或三种。

本发明还提供一种上述的多发光单元半导体激光器模块的制备方法，包括以下步骤：

1)首先准备壳体、盖板、半导体模块组、PCB电路板和测控接口；其中壳体的形状为易于固定PCB电路板的任意外形；

2)将测控接口安装在壳体上；

3)将半导体模块组与PCB电路板焊接在一起，然后固定于壳体的底板上；

4)在壳体外将半导体激光器模块组的光纤跳线捆绑在一起后接入光纤跳线输出接口上或者将半导体激光器模块组的光线跳线熔融拉锥后接入光纤跳线输出接口上，然后将光纤跳线输出接口焊接在壳体的前端侧壁上，保证光纤跳线输出接口的激光输出端伸出壳体外；

5)给壳体制备密封盖板，并将盖板安装在壳体上制成所述的多发光单元半导体激光器模块。

本发明具有以下有益效果：

(1)成本低。本发明省去了复杂的光束整形系统，大大节省了成本。

(2)功率高。与传统半导体激光器产品相比，本产品的功率显著提高。

(3)工艺简单。本发明省去了通常Bar条光束整形系统所需要的光束翻转、切割、重排等过程，多个半导体激光器模块在壳体外进行耦合，工艺简单、安装方便。

附图说明

图1为本发明各部件立体拆解示意图；

图2为本发明装配示意图；

图3为635nm多发光单元半导体激光器模块的LIV曲线图；

图4为635nm多发光单元半导体激光器模块的光谱测试结果图；

其中：1为壳体；2为光纤跳线输出接口；3为盖板；4为测控接口；5为正极；6为负极；7为PCB电路板板；8为半导体激光模块组；9为光纤跳线；10螺孔；11螺孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例详细叙述本发明：

本发明的多发光单元半导体激光器模块，如图1、图2所示，包括采用铜、铝、金刚石或铜钨合金制成的壳体1，在壳体1的底板上设置有PCB电路板7，所述PCB电路板7上固定有多个带有光纤跳线9的半导体激光模块组8，壳体1的前端设置有光纤跳线输出接口2，各半导体激光模块组8的光线跳线9均接入光纤跳线输出接口2上，壳体1的侧壁上设置有分别连接至PCB电路板7上的正极5、负极6和测控接口4。壳体1还包括一个可以将其密封起来的盖板3。

本发明上述的半导体激光模块组8是由多个半导体激光模块串联组成，在本发明的较优方案中，半导体激光模块组8是由三个，七个或十九个半导体激光模块串联组成。并且这里所说的半导体激光模块可以是单管芯片、微型巴条或由多个单管芯片并联组成。另外要求半导体激光器模块组8并列排列或成阶梯状排列固定在PCB电路板7上，如图所示，且各半导体激光器模块组8的激光发射方向一致。其中用于固定半导体激光器模块组8的PCB电路板7的形状不仅可以制成如图所示的间隔前后参差的齿状，也可以根据需要设计成其他适合固定半导体激光器模块组8的形状，以满足尽可能多的容纳半导体激光器模块组8的要求。另外PCB电路板7不仅用于固定半导体激光器模块组8，其另一个主要作用就是其上的印刷电路，通过其上的电路使电源接进来并向各半导体激光器模块组8以及在壳体1内部的其他用电单元提供电能，并且负责各种信号的传递。

本发明的另一技术特征是在壳体1内设有连接测控接口4的功率探测器、温度探测器或TEC温控。功率探测器一般设置在芯片的后方，温度探测器设置在每个发光单元(半导体激光器模块组8)下面对应的底板钻孔内。

上述壳体1的下表面可垂直开设螺孔10，螺孔用来与外部装置相连，根据需要也可以不加工螺孔。以上各部件在安装时，将半导体模块组8焊接在PCB电路板7上后固定于壳体1的底板上。将测控接口4安装在壳体侧壁上，在壳体1外将半导体激光器模块组8的光纤跳线9耦合后将光纤跳线输出接口2焊接在壳体1前壁上；壳体1的上表面可加工螺孔11用于连接盖板3，也可以不加工螺孔采用其他的连接方式，如采用焊接方式将盖板3安装在壳体1上。

本发明大功率多发光单元半导体激光器模块的制备方法如下：

1)首先准备壳体1、盖板3、测控接口4、PCB电路板7、半导体模块组8，壳体1的下表面可垂直开设螺孔10，螺孔用来与外部装置相连，根据需要也可以不加工螺孔；

2)将测控接口4安装在壳体1上；

3)将半导体模块组8与PCB电路板7焊接在一起，然后用螺丝固定于壳体1的底板上，也可以采用其他方式固定于壳体1的底板上；

4)在壳体1外将半导体激光器模块组8的光纤跳线9捆绑在一起后接入光纤跳线输出接口2上或者将半导体激光器模块组8的光纤跳线9熔融拉锥后接入光纤跳线输出接口2上，然后将光纤跳线输出接口2焊接在壳体1的前端侧壁上，保证光纤跳线输出接口2的激光输出端伸出壳体1外；

5)在壳体1的上表面可加工螺孔12用于安装盖板3，也可以不加工螺孔采用其他的连接方式，如采用焊接方式将盖板3安装在壳体1上。

工作原理

本发明利用半导体激光模块组8做为激光产生装置，半导体激光模块组8通过PCB电路板7串联在一起，通过电连接线将正极5负极6与PCB电路板7连接，当给正负极加电时，串联的半导体激光模块组8发出激光，每个芯片分别通过固定于前端的光纤跳线9将激光耦合输出，最后多根独立的跳线9在输出端按指定的排布合束在一起，从光纤跳线输出接口2输出激光。在工作过程中，壳体1内侧底板起到传导散热的作用；测控接口4可连接探温热敏电阻、TEC和功率探测器，用于整体控温和功率探测。

综上所述，本发明采用了多发光单元半导体激光器光纤耦合形式，结合了单管和BAR条产品的优点，并且采用独特的光纤耦合技术，使得无论从输出光斑均匀性还是成本等方面都具有很大的优势。本发明主要应用于大功率半导体激光器，可根据所选芯片的不同，生产出多种波长、多种功率的激光器。

实施例

参见图1和图2，该实施例中采用的基本结构与以上阐述的结构相同，也包括壳体1、盖板3、光纤跳线输出接口2、测控接口4、正极5、负极6、半导体激光模块组8、PCB电路板板7。半导体激光模块组选用7个单管，制作出了635nm光纤耦合大功率半导体激光器，即这种半导体激光器发出的光的波长是635nm，且此激光器在连续波工作下输出光功率超过2W。

以下给出这种635nm大功率多发光单元半导体激光器模块的各项测试结果：

(1)如图3所示为635nm大功率多发光单元半导体激光器模块的LIV曲线，其最高输出光功率为2W。

(2)为了保障635nm大功率多发光单元半导体激光器模块的高可靠性，其工作在2W条件下的测试结果如图3所示。激光器的工作电流为0.66A，工作电压为14.82V，阈值电流为0.35A，斜坡效率为6.76W/A，典型的电光转换效率为20.26％，最大电光转换效率为21.06％。

(3)图4所示为635nm大功率多发光单元半导体激光器模块的光谱测试结果，其峰值波长为634.83nm，中心波长为635.02nm，FWHM为0.9nm，FW90％E为1.92nm。

Claims (8)

1.一种多发光单元半导体激光器模块，包括壳体(1)，其特征在于：所述壳体(1)的底板上设置有PCB电路板(7)，所述PCB电路板(7)上固定有多个带有光纤跳线(9)的半导体激光模块组(8)，所述壳体(1)的前端设置有光纤跳线输出接口(2)，各所述半导体激光模块组(8)的光线跳线(9)均接入光纤跳线输出接口(2)上，所述壳体(1)的侧壁上设置有分别连接至PCB电路板(7)上的正极(5)、负极(6)和测控接口(4)。

2.根据权利要求1所述的多发光单元半导体激光器模块，其特征在于：所述壳体(1)的材料为铜、铝、金刚石或铜钨合金。

3.根据权利要求1所述的多发光单元半导体激光器模块，其特征在于：所述半导体激光模块组(8)是由多个半导体激光模块串联组成。

4.根据权利要求3所述的多发光单元半导体激光器模块，其特征在于：所述半导体激光模块组(8)由三个，七个或十九个半导体激光模块串联组成。

5.根据权利要求3所述的多发光单元半导体激光器模块，其特征在于：所述的半导体激光模块是单管芯片、微型巴条或由多个单管芯片并联组成。

6.根据权利要求1所述的多发光单元半导体激光器模块，其特征在于：所述半导体激光器模块组(8)并列排列或成阶梯状排列固定在PCB电路板(7)上，且各半导体激光器模块组(8)的激光发射方向一致。

7.根据权利要求1所述的多发光单元半导体激光器模块，其特征在于：所述壳体(1)内设有连接测控接口(4)的功率探测器、温度探测器或TEC温控。

8.一种权利要求1所述的用于单元半导体激光器模块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先准备壳体(1)、盖板(3)、半导体模块组(8)、PCB电路板(7)和测控接口(4)；其中壳体(1)的形状为易于固定PCB电路板(7)的任意外形；

2)将测控接口(4)安装在壳体(1)上；

3)将半导体模块组(8)与PCB电路板(7)焊接在一起，然后固定于壳体(1)的底板上；

4)在壳体(1)外将半导体激光器模块组(8)的光纤跳线(9)捆绑在一起后接入光纤跳线输出接口(2)上或者将半导体激光器模块组(8)的光线跳线(9)熔融拉锥后接入光纤跳线输出接口(2)上，然后将光纤跳线输出接口(2)焊接在壳体(1)的前端侧壁上，保证光纤跳线输出接口(2)的激光输出端伸出壳体(1)外；

5)给壳体(1)制备密封盖板(3)，并将盖板(3)安装在壳体(1)上制成所述的多发光单元半导体激光器模块。

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