CN102820605A - 高功率小型激光器封装 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率小型激光器封装，该高功率激光器的结构包括LD泵浦光源、由激光晶体和光学倍频晶体构成的激光模块(如mGreen模组)、反射镜、PD反馈器、输出滤波片、半导体制冷器(TEC)，以及散热片。其特点是，上述元件以金属管壳作为承载平台并固定在其上，且所述组件封装在激光器保护管壳内，带PD反馈器的LD泵浦光源阵列排布在金属管壳侧壁上，激光模块安装在金属管壳上，与光传播方向平行，分别与阵列型LD泵浦光源的各发光点对齐；反射镜与金属管壳呈45°放置，PD反馈器置于反射镜下方，输出滤波片垂直于金属管壳放置于另一端，形成高功率激光器阵列结构。该高功率激光器相比于现有技术具有成本低、体积小、结构简单、调节和维修方便，稳定性好等特点。利用该高功率激光器结构可以大大提高生产效率、因此适合大批量自动化生产。

Description

高功率小型激光器封装

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种能够并行输出的高功率小型激光器。

背景技术

目前，产生可见光和紫外光的激光器已经可以实现小型化、低损耗、高功率。因此在激光显示、光学存储、光谱分析等领域可以有广泛的应用。在可见光区域内，较短波长(如400nm-445nm)范围内，已经出现商用价值的激光器，然而获得波长大于470nm(绿光)的高功率激光的技术却仍在探索中。产生绿光的现有技术，是泵浦光(如波长为808nm的激光)通过掺钕的激光晶体(如Nd:YAG、Nd:YVO4)、非线性晶体(如KTP、LBO)或周期性极化非线性晶体(PPMgOLN、PPZnOLT、PPLN)的倍频作用，产生倍频光(如波长为532nm)。基于上述原理，可以将结构进行简化，制作小型化激光器，如在申请号为WO2010138116、WO2011028207，以及US7724797的专利申请中介绍的那样，它的基本结构包含LD泵浦光源，自聚焦耦合镜，非掺杂/掺杂的激光晶体与非线性倍频晶体共同构成的微型芯片，输出镜。若将周期性极化非线性晶体(如PPMgOLN)作为非线性倍频晶体，可以实现高功率绿光激光的输出，如专利号为US7724797所述，绿光的转化效率可以达到20-30％，远远高于使用KTP作为倍频晶体所达到的转化效率。上述方案，虽然具有小型化、高功率、结构紧凑等特点，但所使用的元器件数量众多，各元器件相互独立，激光器内部结构复杂，导致调节不方便，不利于大规模生产；并且由于LD泵浦光源的最大输出功率制约着绿光转化效率，因此，此类型高功率小型激光器存在输出功率的极限，无法满足客户的定制要求。

上述专利仅仅描述的是单一性激光器，LD泵浦光源的最大输出功率制约着激光器的最大转化效率。为了实现更高功率激光的输出，满足客户的定制要求，可以使用激光阵列并行输出的技术。现有的技术，有一种扩展腔表面发射的激光技术(VECSELs)，如在申请号为WO2006105258的专利申请中介绍的那样，它是包含表面发射的激光阵列、非线性晶体、腔内倍频的半导体激光器技术。而固体激光器现有技术主要是针对一束固体激光的输出或者是多束固体激光束通过耦合镜阵列耦合成高功率固体激光器的应用，如申请号200710121829.7的专利申请中介绍的那样。上述技术方案，LD阵列泵浦光源基于同一衬底，因此热量高度集中，不易散热。另外，虽然LD激光器面阵内的多个LD激光器之间为串联、并联、或者串联并联相结合、或者各自独立，但光路中未加入PD反馈，因此无法获知各个LD泵浦光源输出的泵浦光是否满足要求，进而导致上述连接方式使得LD泵浦光源无法达到最佳效果。并且激光晶体和非线性晶体对温度较为敏感，使用同一晶体，可能导致晶体内部各点温度不均，不利于激光的高功率输出。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种体积小、结构简单、调节和维修方便，稳定性好的高功率固体激光器。

本发明采用的技术方案是：

一种高功率小型激光器封装，包括LD泵浦光源、激光模块(如mGreen模组)、PD反馈器、反射镜，以及输出滤波片，其特点是，上述元件均以金属管壳作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，LD泵浦光源固定在竖直的金属管壳上；所述激光模块，由激光晶体和光学倍频晶体构成，固定在金属管壳的内壁上，其中激光晶体和光学倍频晶体上镀有特殊镀膜，激光晶体和光学倍频晶体以及晶体上的镀膜共同形成光学谐振腔；所述LD泵浦光源发出的泵浦光照射在所述激光模块上；输出滤波片垂直于金属管壳放置于另一端，形成单一平台高功率小型激光器结构。

上述方案中，LD泵浦光源出射光束偏振态为分为TM模式和TE模式，当调节LD的放置方向，偏振方向垂直于底部金属管壳时，将所述激光模块平行于底部金属管壳放置；当调节LD的放置方向，偏振方向平行于底部金属管壳时，将所述激光模块垂直于底部金属管壳放置。所述激光模块与光传播方向平行。

上述方案中，所述绿光激光器的金属管壳上有1处刻有定位线；所述定位线定位所述激光模块到LD泵浦光源的最佳距离。

上述方案中，所述PD反馈器放置在LD泵浦光源的发光点后端的热沉上；泵浦光源的散射光，由PD反馈器接收。

上述方案中，所述PD反馈器放置在LD泵浦光源的发光点后面；泵浦光源的散射光，由PD反馈器接收。

上述方案中，所述的高功率小型激光器的反射镜与金属管壳呈45°放置，PD反馈器置于反射镜正下方；绿光经过反射镜，有极少数绿光被反射，由PD反馈器接收。

上述方案中，LD泵浦光源为阵列型，所述激光模块放置于底部金属管壳，与光传播方向平行，分别与阵列型LD泵浦光源的各发光点对齐，构成单一平台激光器阵列结构。

上述方案中，所述绿光激光器的金属管壳上多处刻有定位线；所述定位线定位所述LD泵浦光源之间的最佳距离。

我们还提供一种高功率小型激光器封装，包括LD泵浦光源、激光模块、反射镜、PD反馈器、输出滤波片、半导体制冷器(TEC)、散热片以及支撑架，其特点是，将上述方案中的激光器阵列结构置于TEC上，TEC的另一端放置在散热片上。将上述结构两两相对放置。以支撑架作为承载并固定在其上，形成高功率小型激光器双阵列结构。

我们还提供一种高功率小型激光器封装，包括LD泵浦光源、激光模块、反射镜、PD反馈器、输出滤波片、半导体制冷器(TEC)、散热片以及支撑架，其特点是，将上述方案中的激光器阵列结构置于TEC上，TEC的另一端放置在散热片上。将上述结构两两相向放置，以支撑架作为承载并固定在其四个侧面上，形成高功率小型激光器环绕阵列结构。

我们还提供一种驱动反馈系统，应用于高功率小型激光器驱动系统中的驱动电路。包括LD泵浦光源、PD反馈器、TEC，以及温度传感器。驱动系统给TEC供电，温度传感器感应TEC的温度，将信号反馈给TEC，进而控制温度为恒定值。

上述方案中，所述的驱动反馈系统，其中驱动系统给LD泵浦光源供电，PD反馈器将感应到的LD发射出的光信号转变成电信号反馈给驱动系统，进而驱动系统调节输出的电流大小，来控制LD发射的泵浦光的强弱。

上述方案中，所述的驱动反馈系统，LD泵浦光源采用串联方式连接，各LD泵浦光源间的电流相同，易于布线。

上述方案中，所述的驱动反馈系统，LD泵浦光源采用并联方式连接，各LD泵浦光源间的电压相同，各LD泵浦光源相对独立，易于更换。

本发明的优点在于：

1、本发明将LD泵浦的高功率小型激光器的所有组件都封装在一个金属管壳内，结构简单，大大降低了生产成本，适合于大批量生产。

2、本发明所使用的LD泵浦光源为阵列式，各模块之间相互独立，易于更换损坏的模块。

3、本发明使用的激光模块(如mGreen模块)，该模块将激光晶体、倍频晶体在同一衬底上，分别通过焊接或粘接的方式组装成为一个整体，具有结构简单、体积小巧、易于封装、成本低廉等特点。

4、本发明使用阵列式激光模块，各个激光模块相对独立，更换方便，相互不受影响，可以对激光模块进行更方便的调节，使得各激光光束达到的最佳性能。

5、本发明所提出的技术方案能够实现高功率激光的输出，可以根据客户需要，增减LD泵浦光源和对应的激光模块的数量，从而满足客户的定制要求。

6、本发明考虑到LD泵浦光源分为TE和TM两种模式，通过上述方案，将LD的放置方式与激光模块的放置方式进行了优化总结，进而达到最大功率输出。

7、与现有技术相比，本发明充分考虑了温度对高功率小型激光器的输出功率的影响，且通过上述方案，将这种影响降至较低的水平。

8、本发明考虑到众多元器件的驱动反馈的问题，利用PD反馈器的反馈信号来控制LD泵浦光源的输出能量；利用温度传感器的反馈信号来控制TEC的温度变化。通过上述方案，使得各元器件能更稳定的运行。

9、本发明采用串联电路或并联电路的形式为LD泵浦光源供电，采用串联电路时，各LD泵浦光源间的电流相同，布线简单；同样地，采用并联电路时，虽然布线较复杂，但各LD泵浦光源间的电压相同，各个LD泵浦光源相对独立，易于更换。

附图说明

图1a是本发明的高功率小型激光器的第一个实施例的结构框图；

图1b是本发明的高功率小型激光器的第一个实施例的结构俯视框图；

图2a是本发明的高功率小型激光器的第二个实施例的结构框图；

图2b是本发明的高功率小型激光器的第二个实施例的结构俯视框图；

图3是本发明的高功率小型激光器的第三个实施例的结构框图；

图4是本发明的高功率小型激光器的第四个实施例的结构框图；

图5是本发明的高功率小型激光器的第五个实施例的结构框图；

图6是本发明的高功率小型激光器的温度反馈的示意图；

图7是本发明的高功率小型激光器的LD串联反馈电路的示意图；

图8是本发明的高功率小型激光器的LD并联反馈电路的示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例及其附图对本发明进一步说明。

需要说明的是，LD泵浦光源用于发射泵浦光；所述泵浦光的波长可以有多种可能。在以下实施例中，所述LD泵浦光源发射的泵浦光的波长为808nm。

在图1a和图1b是本发明的高功率小型激光器的第一个实施例的结构图。该实施例包括：LD泵浦光源101，垂直固定在金属管壳106的侧壁上，LD泵浦光源101产生的热量均匀的传递到金属管壳106上，从而达到较好的散热效果。激光模块103(如mGreen模组)中的激光晶体和光学倍频晶体上镀有特殊镀膜；所述晶体以及晶体上的镀膜共同形成光学谐振腔，固定在金属管壳106的底部内壁上。金属管壳106的材料一般采用铜，铝等导热材料。为保证实施例内部洁净，将上述实施例置于一个半密封的保护管壳108内。图1b是本发明的高功率小型激光器的第一个实施例的结构俯视图。该实施例中，在金属管壳106的一处刻有定位线110，上述定位线110是用来定位LD泵浦光源和激光模块的距离，在此距离下，绿光输出功率最佳。一般的，LD到激光模块的定位线110间距范围为0.3-1mm之间。

上述实施例中，通过PD反馈器102的反馈信号来调节LD泵浦光源的输出能量，从而实现稳定的功率输出，PD反馈器102的放置位置可以有三种情况：1、将PD反馈器102置于LD泵浦光源101发光点的后端的热沉上，此时PD反馈器102能够较好的探测到LD泵浦光源101的散射光功率。2、将PD反馈器102置于LD泵浦光源101发光点后面的金属管壳上，此处空间较大，较易安装，此时PD反馈器102也能够较好的探测到LD泵浦光源101的散射光功率。3、将反射镜104与金属管壳106呈45°放置，PD反馈器102置于反射镜104下方，此时有极小部分反射光入射到PD反馈器102上。

在图2a和图2b是本发明的高功率小型激光器的第二个实施例的结构图。该实施例包括：LD泵浦光源201、PD反馈器202、激光模块203、金属管壳206、反射镜204、输出滤波片205、半密封保护管壳208、定位线210。不同于前述第一实施例，该实施例中，LD泵浦光源201平行固定在金属管壳106的侧壁上。激光器其余结构均与前述实施例一样。

上述实施例中，LD泵浦光源出射光束偏振态为分为TM模式和TE模式，当调节LD的放置方向，偏振方向垂直于底部金属管壳时，将所述激光模块平行于底部金属管壳放置；当调节LD的放置方向，偏振方向平行于底部金属管壳时，将所述激光模块垂直于底部金属管壳放置。所述激光模块与光传播方向平行。上述两个实施例均实现的是绿光点光源的输出，若要实现绿光的大功率面光源输出，还需要对上述实施例进行改进。在第三个实施例中，如图3所示。该实施例包括：LD泵浦光源301、金属管壳306、定位线303和310、激光模块(图中未画出)、PD反馈器307、LD的PD反馈器307(图中未画出)、反射镜304、输出滤波片305、半密封保护管壳(图中未画出)。不同于第二个实施例的是，LD泵浦光源301为阵列型，上述定位线303是垂直于定位线310，分别用来定位LD泵浦光源和激光模块的横向距离，一般的，LD泵浦光源的发光点间距在3.0mm-10.0mm之间，用以实现808nm面光源输出。上述定位线分别与阵列型LD泵浦光源的各发光点对齐，位于激光模块(图中未画出)的下方，且与光传播方向平行。激光器其余结构均与第二实施例一样。

第三实施例可以实现单阵列高功率小型激光输出。基于此思想，也可以实现双阵列高功率激光输出，在第四个实施例中，如图4所示。为了达到最佳的散热效果，在第3实施例的基础上，将金属管壳404的底部放置在半导体制冷器(TEC)402上，半导体制冷器(TEC)402的另一端放置在散热片403上。TEC会将环境温度稳定在预设的温度范围内，从而保证激光器的稳定运行，从而构成了稳定输出的高功率小型激光器结构。为了使单位面积上的输出功率最大，将上述结构两两相对放置，并使用两个支撑架405将其固定。

同理，基于此思想，也可以实现环绕型面光源的高功率激光输出，在第五实施例中，如图5所示。在第四实施例的基础上，将上述高功率小型激光器结构两两相对放置，以正方形支撑架作为承载并固定在其四个侧面上。

为了实现上述第三实施例、第四实施例和第五实施例的功能，需要高功率小型激光器的各驱动电路进行供电。如图6所示，驱动系统通过引线601和602给TEC供电，温度传感器感应TEC的温度，将信号反馈给驱动系统，进而驱动系统调节输出的电流大小，来控制TEC的温度为恒定值。

同样的，为了实现高功率激光器的激光输出，我们将LD泵浦光源进行串联或并联。如图7所示，LD泵浦光源间采用串联方式，LD泵浦光源正负极首尾相连，驱动系统通过引线701和702给LD泵浦光源供电，各LD泵浦光源间的电流相同，此电路具有布线简单、电流恒定等特点。当然，我们还可以将LD泵浦光源间采用并联方式，如图8所示，驱动系统通过引线801和802给LD泵浦光源供电，不同于串联方式，各LD泵浦光源间的电压相同，各LD泵浦光源间相互独立，易于更换。同时，PD反馈器将感应到的LD阵列(虚线区域内)发射出的总光信号转变成电信号反馈给驱动系统，进而驱动系统调节输出的电流大小，来控制LD发射的泵浦光的强弱，采用此反馈方法，可以更好的探测LD泵浦光源的输出功率。

需要指出的是，以上仅以激光模块为例说明了本发明的基本思想。显然，本发明可应用于基于倍频以外，例如差频、和频等非线性过程的激光芯片制作。本发明可应用于绿光激光器外，还可应用于其它波长的激光器。同时还需要指出的是，以上用于制作的激光晶体可为其他掺杂的增益介质，如掺钕钒酸钆(Nd:GdV04)等，而非线性倍频晶体可以为其他晶体，例如周期极化的钽酸锂(PPLT)，周期极化的磷酸钛氧钾(PPKTP)，三硼酸锂(LBO)和磷酸钛氧钾(KTP)等。

Claims (16)

1.一种高功率小型激光器封装，包括LD泵浦光源、反射镜、PD反馈器、输出滤波片、以及激光模块(如mGreen模组)，其特点是，上述元件均以金属管壳作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，LD泵浦光源固定在竖直的金属管壳上；所述激光模块，由激光晶体和光学倍频晶体构成，固定在金属管壳的内壁上，其中激光晶体和光学倍频晶体上镀有特殊镀膜，激光晶体和光学倍频晶体以及晶体的镀膜共同形成光学谐振腔；所述LD泵浦光源发出的泵浦光照射在所述激光模块上；输出滤波片垂直于金属管壳放置于另一端，形成单一平台高功率小型激光器结构。

2.权利要求1所述LD泵浦光源出射光束偏振态为TM模式或TE模式，当调节LD的放置方向，偏振方向垂直于底部金属管壳时，将所述激光模块平行于底部金属管壳放置；当调节LD的放置方向，偏振方向平行于底部金属管壳时，将所述激光模块垂直于底部金属管壳放置。所述激光模块与光传播方向平行。

3.权利要求1所述的高功率小型激光器封装，其特征在于，所述高功率小型激光器的金属管壳上有1处刻有定位线；所述定位线定位所述激光模块到LD泵浦光源的最佳距离。

4.权利要求1所述的高功率小型激光器，其特征在于，PD反馈器放置在LD泵浦光源的发光点后端的热沉上；泵浦光源的散射光，由PD反馈器接收。

5.权利要求1所述的高功率小型激光器，其特征在于，PD反馈器放置在LD泵浦光源的发光点后面；泵浦光源的散射光，由PD反馈器接收。

6.权利要求1所述的高功率小型激光器，其特征在于，反射镜与金属管壳呈45°放置，PD反馈器置于反射镜正下方；绿光经过反射镜，有极少数绿光被反射，由PD反馈器接收。

7.权利要求1所述的高功率小型激光器封装，其特征在于，LD泵浦光源及激光模块为阵列型，所述激光模块放置于底部金属管壳，与光传播方向平行，分别与阵列型LD泵浦光源的各发光点对齐，构成激光器阵列结构。

8.权利要求1所述的高功率小型激光器封装，其特征在于，所述高功率小型激光器的金属管壳上多处刻有定位线；所述定位线定位所述LD泵浦光源之间的最佳距离。

9.一种高功率小型激光器封装，包括LD泵浦光源、激光模块、反射镜、PD反馈器、输出滤波片、半导体制冷器(TEC)、散热片以及支撑架，其特点是，将权利要求7所述的激光器阵列结构置于TEC上，TEC的另一端放置在散热片上。将上述结构两两相对放置。以支撑架作为承载并固定在其上，形成高功率激光器双阵列结构。

10.一种高功率小型激光器封装，包括LD泵浦光源、激光模块、反射镜、PD反馈器、输出滤波片、TEC、散热片以及支撑架，其特点是，将权利要求7所述的激光器阵列结构置于TEC上，TEC的另一端放置在散热片上。将上述结构两两相向放置，以支撑架作为承载并固定在其四个侧面上，形成高功率激光器环绕阵列结构。

11.一种驱动反馈系统，应用于高功率激光器驱动系统中的驱动电路。包括LD泵浦光源、PD反馈器、TEC，以及温度传感器。其特征在于，驱动系统给TEC供电，温度传感器感应TEC的温度，将信号反馈给TEC，进而控制温度为恒定值。

12.权利要求11所述的驱动反馈系统，其特征在于，驱动系统给LD泵浦光源供电，PD反馈器将感应到的LD发射出的光信号转变成电信号反馈给驱动系统，进而驱动系统调节输出的电流大小，来控制LD发射的泵浦光的强弱。

13.权利要求11所述的驱动反馈系统，其特征在于，LD泵浦光源采用串联方式连接，各LD泵浦光源间的电流相同，易于布线。

14.权利要求11所述的驱动反馈系统，其特征在于，LD泵浦光源采用并联方式连接，各LD泵浦光源间的电压相同，各LD泵浦光源相对独立，易于更换。

15.权利要求3所述的定位线，其特征在于，LD到激光模块的定位线间距范围为0.3-1.0mm之间。

16.权利要求8所述的定位线，其特征在于，LD泵浦光源的发光点间距在3.0-10.0mm之间。

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