CN103715599B - 多单管合束半导体激光器封装壳体 - Google Patents
多单管合束半导体激光器封装壳体 Download PDFInfo
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Abstract
多单管合束半导体激光器封装壳体属于半导体激光器封装技术领域。现有封装壳体其材质为黄铜，热膨胀系数大，影响封装壳体的密封及激光耦合率。本发明之多单管合束半导体激光器封装壳体其外形为立方体状，材质为金属，封装壳体下面的底板四角各有一个安装翼板，在封装壳体前后左右四面的四块侧板中一块上安装若干陶瓷套管，在另外一块侧板上还开设一个输出激光束耦合窗；其特征在于，封装壳体其前后左右四面的四块侧板以及上面的盖板材质均为可伐合金，下面的底板其四周部分材质为可伐合金，中间部分材质为黄铜或者紫铜。可伐合金热膨胀系数比黄铜小很多，避免现有技术中的技术问题的出现。
Description
技术领域
本发明涉及一种多单管合束半导体激光器封装壳体，壳体的主体材料为可伐合金，一方面能够避免因热冲击而发生保持电源等导线绝缘的陶瓷套管的松动，进而破坏封装壳体的密封；另一方面能够减轻因封装壳体热膨胀而导致耦合光纤端面错位，避免耦合效率因此而明显降低，属于半导体激光器封装技术领域。
背景技术
多单管合束半导体激光器由多个单管半导体激光器合束而成。多个单管半导体激光器1阶梯分布于一个三角形热沉2上，如图1所示，各个单管半导体激光器1发射的激光束由各自的平面反射镜3反射到一个凹面反射镜4的凹反射面上，由该凹反射面反射汇聚，实现多激光束合束，合束后的激光束再耦合到光纤5中。所述多单管合束半导体激光器被封装在封装壳体中。所述封装壳体外形为立方体状。壳体材料为黄铜，采用这种材料的原因之一是利用其良好的导热性能使多单管合束半导体激光器在工作过程中保持良好散热。壳体密封内充氮气。壳体底板6四角各有一个安装翼板7，通过这些安装翼板7将封装好的多单管合束半导体激光器安装在散热底座上。在壳体侧板8上安装若干陶瓷套管9，各条电源及控温导线从这些陶瓷套管9中穿过，由陶瓷套管9实现导线与壳体的绝缘，所述陶瓷套管9的安装、电源及控温导线的穿过均应符合壳体密封要求。在壳体侧板8上还开设一个输出激光束耦合窗10，光纤5与该耦合窗10接触并与输出激光束光轴对准。
然而，所述封装壳体的制作材料黄铜虽然导热系数较大，但是，其热膨胀系数也较大，这使得现有封装壳体存在两方面的技术问题。一是因多单管合束半导体激光器工作与否，壳体温度在较大范围内升降变化，如在室温到50℃之间，这一现象对陶瓷套管9与壳体之间的紧密连接状态来说构成一种热冲击，久而久之会使陶瓷套管9发生松动，进而破坏壳体的密封。二是由于多单管合束半导体激光器的装调、封装是在常温下进行，包括使光纤5与输出激光束的光轴对准，最大程度地提高耦合率，不过，当多单管合束半导体激光器工作时，壳体因升温而发生微小变形，这将导致输出激光束与光纤5的耦合率明显降低，造成光功率损失。
发明内容
本发明其目的在于解决因封装壳体用材原因而产生的密封受到破坏以及光功率损失问题，为此，我们提出一项本发明之多单管合束半导体激光器封装壳体方案。
本发明之多单管合束半导体激光器封装壳体其外形为立方体状，材质为金属，封装壳体下面的底板6四角各有一个安装翼板7，在封装壳体前后左右四面的四块侧板8中一块上安装若干陶瓷套管9，在另外一块侧板8上还开设一个输出激光束耦合窗10；其特征在于，封装壳体其前后左右四面的四块侧板8以及上面的盖板11材质均为可伐合金，如图1、图2所示，下面的底板6其四周部分材质为可伐合金，中间部分材质为黄铜或者紫铜，如图3所示。
本发明其技术效果在于，可伐(Kovar)合金是一种铁镍钴玻封合金，成分为FeNi29Co17，牌号4J29，现有技术将其作为一种玻封材料，原因之一是其线膨胀系数在20～400℃温度范围内仅为4.6～5.2×10－6K-1，如4.7×10－6K-1，与玻璃、陶瓷等无机非金属材料的线膨胀系数接近，如在20～450℃温度范围内其线膨胀系数与陶瓷十分接近，而在20～100℃温度范围内黄铜的线膨胀系数高达20.6×10－6K-1。因此，本发明之封装壳体的主体材料选用可伐合金，相比于现有技术采用黄铜，不会明显发生因多单管合束半导体激光器在使用中频繁开关所产生的热冲击对封装壳体侧板8与陶瓷套管9结合部位的破坏，陶瓷套管9能够保持牢固安装状态，确保封装壳体的密封不至于在此处被破坏。
同样是因为所选用的可伐合金具有超低线膨胀系数的特点，当所封装的多单管合束半导体激光器工作后封装壳体温度升高时，封装壳体发生的变形非常微小，不会导致光纤5端面的明显错位，从而避免耦合效率明显降低。例如，多单管合束半导体激光器中的单管半导体激光器1波长为980nm，输入电流为2A，输出光功率为1.65W，将三只单管半导体激光器1按梯形分布焊接到三角形热沉2上，如图1所述，分别对单管半导体激光器1快慢轴进行准直，三束激光经平面反射镜3反射到一个凹面反射镜4的凹反射面上，由该凹反射面反射汇聚，实现多激光束合束，合束后的激光束再耦合到芯径为200μm、数值孔径为0.22的光纤5中。将所述多单管合束半导体激光器封装于本发明之封装壳体中。在常温下测得输出光功率为4.5W，当封装壳体温度升至50℃时，封装壳体发生微小变形，导致输出光功率下降到4.1W，光功率仅下降8.9%。将同样的多单管合束半导体激光器封装于现有全铜壳体后，同样是在50℃温度下，输出光功率下降到2.8W，光功率下降了39.1%。可见，本发明之封装壳体能够使所封装的多单管合束半导体激光器摆脱温升对其工作状态的影响。
可伐合金导热系数仅为15.5W/(mK)，而紫铜的导热系数高达393.6W/(mK)，黄铜的导热系数也有108.9W/(mK)之高。因此，本发明之封装壳体的散热性能势必降低，但是，本发明在封装壳体主要散热部位即底板6的中间部分依然采用黄铜或者紫铜，如图3所示，当通过底板6四角安装翼板7将封装有多单管合束半导体激光器的封装壳体安装在散热底座上后，依然能够取得良好散热效果。
附图说明
图1是多单管合束半导体激光器结构及其封装壳体俯视示意图。图2是多单管合束半导体激光器封装壳体封装后形体立体示意图。图3是本发明之多单管合束半导体激光器封装壳体底板结构示意图，该图同时作为摘要附图。
具体实施方式
本发明之多单管合束半导体激光器封装壳体其外形为立方体状，材质为金属，封装壳体下面的底板6四角各有一个安装翼板7，在封装壳体前后左右四面的四块侧板8中一块上安装若干陶瓷套管9，在另外一块侧板8上还开设一个输出激光束耦合窗10。封装壳体其前后左右四面的四块侧板8以及上面的盖板11材质均为可伐合金，如图1、图2所示，下面的底板6其四周部分材质为可伐合金，所述可伐合金成分为FeNi29Co17，牌号4J29。在所述四块侧板8中一块上还开有校正窗口12，如图1、图2所示，在多单管合束半导体激光器在封装壳体中装调时，指示光通过该校正窗口12玻璃与多单管合束半导体激光器中的凹面反射镜4同轴入射到封装壳体中。所述下面的底板6中间部分材质为黄铜或者紫铜，如图3所示，所述底板6中间部分为与底板6走向相同的矩形，所述底板6中间部分的厚度与所述底板6四周部分厚度相同且焊接构成底板6。
Claims (4)
1.一种多单管合束半导体激光器封装壳体，其外形为立方体状，材质为金属，封装壳体下面的底板（6）四角各有一个安装翼板（7），在封装壳体前后左右四面的四块侧板（8）中一块上安装若干陶瓷套管（9），在另外一块侧板（8）上还开设一个输出激光束耦合窗（10）；其特征在于，封装壳体其前后左右四面的四块侧板（8）以及上面的盖板（11）材质均为可伐合金，下面的底板（6）其四周部分材质为可伐合金，中间部分材质为黄铜或者紫铜。
2.根据权利要求1所述的多单管合束半导体激光器封装壳体，其特征在于，所述可伐合金成分为FeNi29Co17，牌号4J29。
3.根据权利要求1所述的多单管合束半导体激光器封装壳体，其特征在于，在所述四块侧板（8）中一块上还开有校正窗口（12）。
4.根据权利要求1所述的多单管合束半导体激光器封装壳体，其特征在于，所述底板（6）中间部分为与底板（6）走向相同的矩形，所述底板（6）中间部分的厚度与所述底板（6）四周部分厚度相同且焊接构成底板（6）。
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