CN104332822A - 用于vcsel激光器的光学汇聚方法及其封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于VCSEL激光器的光学汇聚方法。通过使VCSEL阵列中所有VCSEL芯片或其正投影分布于同一圆的外圆周上，并使所有VCSEL芯片的中心法线在圆心位置相交，构成焦点，实现VCSEL激光器的光束汇聚。本发明同时提供了用于实现上述光学汇聚方法的VCSEL激光器封装结构。在该封装结构中，通过内凹的弧形热沉对VCSEL阵列进行封装，使得激光在圆心位置附近达到光束汇聚的目的。这种VCSEL阵列的封装结构，用非常简洁的方式改变VCSEL芯片阵列的排列形状，实现了多个VCSEL芯片在特定位置的光束汇聚，在激光医疗和工业激光加工领域具有广阔的应用前景。

Description

用于VCSEL激光器的光学汇聚方法及其封装结构

技术领域

本发明涉及一种用于垂直腔面发射激光器(Vertical CavitySurface Emitting Laser，简称VCSEL)的光学汇聚方法，同时涉及一种用于实现上述光学汇聚方法的封装结构，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

在半导体激光器领域，根据发光方向与激光芯片所在外延片平面的关系，激光器可划分为垂直腔面发射激光器(Vertical CavitySurface Emitting Laser，简称VCSEL)与边发射半导体激光器(EdgeEmitting Laser Diode)两类。其中，垂直腔面发射激光器的发光方向垂直于外延片方向，从反应区的顶面射出，而边发射半导体激光器的发光方向平行于外延片方向，从反应区的边缘射出。垂直腔面发射激光器(VCSEL)与边发射半导体激光器的结构可参见图1所示的示意图。

过去二十年间，在高功率半导体激光器领域，基于GaAs材料的边发射半导体激光器一直占据统治地位，并广泛应用于工业、医疗、科研等领域。而传统的垂直腔面发射激光器由于具有相对较低的光电效率、较差的光学亮度，在高功率半导体激光器市场一直没有得到关注。

随着技术的进步，VCSEL逐渐实现了接近于边发射半导体激光器的高功率输出，同时由于其独特的结构，其应用中的诸多优点，如高可靠性、耐高温、光学分布均匀、表面高反射率等等，逐渐在部分领域形成对边发射半导体激光器的有力竞争。例如，在部分激光医疗和工业应用中，为了克服边发射激光器始终面临着可靠性不高、工作温度苛刻、光学汇聚效率低、光强分布不均匀等缺点，可以考虑使用VCSEL代替边发射半导体激光器，并通过对VCSEL进行光学汇聚使其达到较高的光学汇聚效率，同时可以改善光强分布的均匀性。

VCSEL的具体结构及其光斑特性如图1和图2所示：VCSEL通常以阵列形式进行光学应用，VCSEL的发光方向垂直于外延片所在平面，其发光区是圆形光源，发散角较小(发散角全角约为15～20度左右)，其远场光强近似平顶分布，能量均匀。因此，与边发射半导体激光器相比，VCSEL阵列发射的光线将更容易汇聚，并且在远场目标物上能量分布更加均匀。

现有技术中，VCSEL的封装结构如图3所示，通常将单个VCSEL芯片直接焊接于散热衬底上，散热衬底的下表面焊接在热沉上，散热衬底具有良好的导热性，并通过热沉将VCSEL的热量及时散发出去，从而实现对使用中的VCSEL进行冷却。在实际使用时，多个VCSEL组成如图2所示的面阵列，通过将多个VCSEL芯片紧密排列在一块水平的热沉上组成VCSEL阵列，可以形成一个更大的出光面，多个VCSEL芯片之间通过金丝焊接。

在医疗、工业等诸多高功率应用场合中，往往需要将多个激光器芯片输出的激光光束进行汇聚，以期在目标位置达到更高的功率密度。现有技术中，通过控制边发射激光器的芯片间距、光学准直、透镜聚焦，目前已经可以实现较小的光斑和极高的功率密度。用于边发射激光器的光束压缩方法的具体内容可以参见中国发明申请CN201210054447.8中公开的内容。而对于VCSEL，由于是面发光结构，芯片之间间距无法进一步压缩，光学准直亦比较困难，因此，应用于边发射半导体激光器阵列的光学汇聚方法并不适于对VCSEL阵列的光学汇聚。因此，如何在特定位置对多个VCSEL芯片进行聚焦，仍然是一个急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种用于VCSEL激光器的光学汇聚方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种用于实现上述光学汇聚方法的VCSEL激光器封装结构。

为了实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于VCSEL激光器的光学汇聚方法，包括如下步骤：

使VCSEL阵列中所有VCSEL芯片或其正投影分布于同一圆的外圆周上，并使所有VCSEL芯片的中心法线在圆心位置相交，构成焦点；所述VCSEL芯片到焦点的距离构成焦距。

其中较优地，通过一个具有内凹形封装面的热沉对VCSEL阵列进行封装，所述热沉的封装面由多个相互呈一定角度的小封装平面组成，所述封装面的截面是一个以焦点为圆心的圆的部分外切多边形，并且，每个小封装平面的中心法线在圆心位置相交。

其中较优地，使用一个入光面的截面为圆弧状或圆弧面外切多边形的光学传输器件对所述VCSEL阵列射出的激光进行汇聚，所述光学传输器件设置在所述VCSEL阵列的出光面的前方，所述光学传输器件的内壁平行于以焦点为圆心、以焦距为半径的圆的半径方向，所述光学传输器件的长度小于焦距的长度。

其中较优地，所述光学传输器件是内壁抛光的反射镜筒或者基于内壁全反射的导光锥。

一种用于实现上述光学汇聚方法的VCSEL激光器封装结构，包括由多个VCSEL芯片组成的VCSEL阵列和用于封装VCSEL阵列的弧形热沉，所述弧形热沉的封装面的截面是一个圆的部分外切多边形，所述封装面由多个相互呈一定角度的小封装平面组成，所述封装面内凹，并且，每个小封装平面的中心法线在圆心位置处相交；

所述VCSEL阵列中的所有VCSEL芯片分别安装于所述热沉的各个小封装平面上，从而使所有VCSEL芯片分布在同一圆的外圆周上，并且，所有VCSEL芯片的中心法线在圆心位置相交形成焦点，所述VCSEL芯片到焦点的距离构成焦距。

其中较优地，每个所述小封装平面用于封装一个或多个VCSEL芯片。

其中较优地，所述VCSEL阵列前方设置有一个入光面的截面为圆弧状或圆弧面外切多边形的光学传输器件，所述光学传输器件的内壁平行于以焦点为圆心、以焦距为半径的圆的半径方向，所述光学传输器件的长度小于所述VCSEL阵列焦距的长度。

其中较优地，所述光学传输器件是内壁抛光的反射镜筒或者基于内壁全反射的导光锥。

其中较优地，所述导光锥的入光面和出光面蒸镀光学增透膜。

其中较优地，所述VCSEL阵列中，所有所述VCSEL芯片紧密排列；

所述光学传输器件的入光面全部覆盖且仅覆盖所述VCSEL芯片阵列的发光区域。

本发明提供的光学汇聚方法通过改变VCSEL芯片阵列的排列形状实现VCSEL激光的汇聚。具体在其封装结构中，通过内凹的弧形热沉对VCSEL阵列进行封装，使得激光在圆心位置附近达到光束汇聚的目的。并且，通过在VCSEL阵列前方设置透射性光学器件实现了光束的进一步压缩。这种VCSEL阵列的封装结构，用非常简洁的方式改变VCSEL芯片阵列的排列形状，实现了多个VCSEL芯片在特定位置的光束汇聚，在激光医疗和工业激光加工领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是垂直腔面发射激光器和边发射激光器的结构示意图；

图2是垂直腔面发射激光器阵列的发光方向示意图；

图3是现有技术中单个VCSEL芯片的封装结构示意图；

图4是本发明所提供的VCSEL激光器的汇聚原理示意图；

图5是本发明所提供的弧形热沉的正视示意图；

图6是图5所示弧形热沉的立体结构示意图；

图7是基于图6所示弧形热沉的VCSEL阵列的封装结构示意图；

图8是图7所示VCSEL芯片阵列的封装结构的汇聚原理示意图；

图9是基于弧形热沉和导光锥的VCSEL激光器的封装结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

本发明提供的用于VCSEL激光器的光学汇聚方法，通过改变VCSEL阵列的排列形状，实现多个VCSEL芯片在特定位置的光束汇聚。如图4所示，在该光学汇聚方法中，通过使VCSEL阵列中所有VCSEL芯片1或其正投影分布于同一圆的外圆周上，并使所有VCSEL芯片1的中心法线在圆心位置相交构成焦点，实现VCSEL芯片发光单元的光束汇聚。由于VCSEL阵列中，VCSEL芯片通常紧密排列在一定区域内，因此，定义VCSEL芯片的分布方式为扇形分布，并定义VCSEL芯片1到焦点的距离为焦距。

由于VCSEL芯片是圆形光源，发散角较小(发散角全角约为15～20度左右)，其远场光强近似平顶分布，能量均匀。因此，通过改变VCSEL芯片的排列方式，使不同VCSEL芯片1向同一位置发射激光，即可实现所有VCSEL芯片1在圆心位置的功率叠加。与边发射半导体激光器相比，由于VCSEL发射的激光束的发散角较小，VCSEL阵列发射的光线汇聚更易于实现，并且其在远场目标物上能量分布更加均匀。

为了实现VCSEL芯片的扇形分布，发明人经过试验研究，制作了一种封装面的截面呈圆弧状外切多边形的热沉。由于该热沉的封装面近似弧形，简称为弧形热沉。通过该具有内凹形封装面的弧形热沉对VCSEL阵列进行封装。该弧形热沉的封装面如图6所示，是由多个分布在不同高度且相互呈一定角度的小封装平面组成，多个小封装平面组成一个以焦点为圆心的圆的外切多边形，并且，每个小封装平面的中心法线在圆心位置相交。其具体结构以及对VCSEL阵列的封装方式将在下文实施例中详细介绍。

此外，为了进一步压缩VCSEL芯片的光束，同时限定激光的传播，在VCSEL芯片的前方还可以设置光学传输器件3。通过使用一个入光面的截面为圆弧状或圆弧面外切多边形的光学传输器件3可以对VCSEL阵列射出的激光进行进一步压缩。其中，光学传输器件3设置在VCSEL阵列的出光面的前方，光学传输器件3的内壁平行于以焦点为圆心、以焦距为半径的圆的半径方向，并且，光学传输器件3的长度小于焦距的长度。实际使用时，光学传输器件3可以采用内壁抛光的反射镜筒或者基于内壁全反射的导光锥。

下面，结合具体实施例对本发明提供的用于实现上述光学聚焦方法的VCSEL激光器的封装结构进行说明。

第一实施例

为了将多个VCSEL芯片的光束汇聚到一起，本发明提供了一种封装面的截面外切于圆弧面的多边形热沉，用于封装VCSEL激光器阵列，从而使得在弧面圆心位置附近，实现了多个VCSEL芯片在一个方向上的光学汇聚。

如图5、图6和图7所示，弧形热沉2的封装面的截面近似于内凹的弧形。具体为由多个小封装平面20的截面彼此相互呈一定角度构成的多边形，该多边形是以VCSEL阵列的焦点(目标物所在的汇聚点)为圆心O、以焦距为半径R的圆的部分外切多边形，其中，每个小封装平面20的中心法线均汇聚于焦点。实际使用中，其汇聚点可以有一定偏差，只要小封装平面20的中心法线可以汇聚于焦点附近即可，但偏差的范围应限制在一个极小的角度内。

本发明所提供的VCSEL激光器的封装结构，使用上述弧形热沉2对VCSEL阵列中所有的VCSEL芯片进行封装。如图7所示，分别将VCSEL阵列中的所有VCSEL芯片安装于弧形热沉2的各个小封装平面上，并且，在每个小封装平面20上可以封装一个或多个VCSEL芯片1，这样可以使所有VCSEL芯片1的正投影全部分布在以焦点为圆心O、以焦距为半径R的圆的外圆周上，并且，所有VCSEL芯片的中心法线在圆心位置相交形成焦点，VCSEL芯片到焦点的距离构成焦距。

上面对第一实施例中的VCSEL激光器的封装结构进行了介绍。如图8所示，通过将VCSEL芯片1分别封装在弧形热沉2的小封装平面20上，即可实现VCSEL芯片在焦距附近的汇聚。从而，所有VCSEL发光单元的光束，可以沿每个VCSEL芯片1的中心法线方向在圆心位置相交，实现功率的叠加。

第二实施例

为了对第一实施例中汇聚的光束进行进一步的光束压缩，本发明在提供弧形热沉的同时，还设计了一种入光面为圆弧面或者圆弧面外切多边形的光学传输器件3，通过该光学传输器件3可以实现激光的高效传输，并对激光具有一定的光束压缩作用，实现光束汇聚功能。

如图9所示，该光学传输器件3的入光面的截面呈圆弧形，其入光面的圆心与激光器的汇聚点相同，从而使入光面与VCSEL阵列中的各个VCSEL芯片的出光面相切，VCSEL芯片出光面的中心法线垂直于光学传输器件3的入光面，VCSEL芯片1发射的激光可以直射入光学传输器件3的内部，并且，每个VCSEL的发散角都可以得到压缩。该光学传输器件3的内壁可以平行于以焦点为圆心、以焦距为半径的圆的半径方向设置，也就是说：该光学传输器件3的四个侧壁可以平行于VCSEL阵列最外侧到目标物之间的半径方向设置，通过光学传输器件3上下面及左右两侧面的内壁全反射，实现在光学传输器件3靠近圆心一端的汇聚输出。该光学传输器件3的入光面大于其出光面，并且其出光面设置在目标物附近，光学传输器件3的长度小于VCSEL阵列焦距的长度。

实际使用中，通常选取内壁抛光的反射镜筒或者基于内壁全反射的导光锥作为光学传输器件3。其中，反射镜筒利用内壁镜面反射方式实现激光从芯片发光区到目标物3的传输和汇聚。导光锥利用内壁全反射方式实现激光从芯片发光区到目标物3的传输和汇聚。为了提高导光锥的透光效率，导光锥的入光面和出光面可以分别蒸镀光学增透膜。锥形反射镜筒或导光锥，通过将光束会聚到较小一侧的输出窗口，实现光学汇聚功能。

为了提高VCSEL阵列的输出功率密度，在VCSEL阵列中，所有VCSEL芯片应紧密排列，尽量减小VCSEL芯片之间的间隙，这在一方面减小了封装结构的体积，另一方面，可以充分利用VCSEL芯片固有的高反射率，实现VCSEL芯片对经由目标物和光学传输器件3反射回来的反射光线的高效的二次利用。由于VCSEL芯片阵列的表面具有极高的反射率，尤其是VCSEL芯片所占的面积上，反射率高达99.5％甚至以上，所以通过该VCSEL芯片阵列表面对目标物折回的反射光线进行高效的二次利用，对于照射到目标物上的输出功率具有不可忽视的增强作用，充分提高了激光的利用率。而在使用图9所示的光学传输器件3对VCSEL阵列的出光面进行耦合时，通过使光学传输器件的入光面全部覆盖且仅覆盖VCSEL芯片阵列的发光区域，可以减小VCSEL阵列中非发光区域对反射光线的影响，减小激光逃逸。

此外，光学传输器件3的截面还可以呈圆弧面外切多边形，其入光面可以由多个互相呈一定角度的小平面组成，并且，其圆心与热沉的圆心同心。使光学传输器件3的每个小平面与弧形热沉2的单个小封装平面20对应且平行，可以使封装于各个小封装平面上的VCSEL芯片的中心法线与其对应的小平面垂直，从而，使得VCSEL芯片1发射的激光可以直射入光学传输器件3的内部，并且，每个VCSEL的发散角都可以得到压缩。此外，这种圆弧面外切多边形的设置极大地减小了VCSEL芯片1与光学传输器件3之间的距离，减少了缝隙处的激光逃逸。

第二实施例中提供了两种VCSEL激光器的封装结构，多个VCSEL芯片可以通过导光锥或反射镜筒的上下面及左右两侧面的内壁全反射或镜面反射，实现在靠近圆心一端的汇聚输出。输出口的位置，以圆心处或圆心附近最佳。另外，其左右侧面，可以向圆心处逐渐靠近形成锐角，进而进一步压缩光束。

第三实施例

在本实施例中，对VCSEL阵列的特殊封装结构进行介绍。

当采用单组VCSEL芯片构成线性VCSEL阵列时，将其封装在平面热沉上，配合梯台形导光锥或者反射镜筒，直接输出激光。当采用两组VCSEL芯片构成长条形的VCSEL阵列时，可以将两组VCSEL芯片封装在V字形热沉上，配合导光锥或者锥形反射镜筒，在输出口位置实现光束汇聚。此时，应注意使用光学传输器件3对VCSEL激光器在长度方向上进行压缩，使其汇聚于一点。

当然，也可以直接将封装单组VCSEL芯片的热沉制作成截面呈圆的外切多边形的形状，此时，其对单组VCSEL芯片的封装，等同于第一实施例中，在每个小封装平面上只封装一个VCSEL芯片时的情形，因此在此不再赘述。

综上所述，本发明提供了VCSEL激光器的光学汇聚方法及其封装结构。通过采用基于弧面多边形的热沉对VCSEL进行封装，进而在圆心位置附近达到光束汇聚的目的。激光器热沉封装面为一个圆的外切多边形，每个封装平面的中心法线方向在圆心位置附近相交；每个封装平面可以封装一个或多个VCSEL芯片。对于小功率应用，热沉可以采用传输制冷或者普通水通道冷却，对于高功率应用，热沉可以加工成带有微通道的通水冷却结构，以提高热交换效率。在不同的封装结构中，多个VCSEL芯片的光束汇聚可以不依赖外部透镜即可实现多个VCSEL光束的汇聚；也可以配合外部光学器件(如导光锥、锥形镜筒等)实现进一步的光斑压缩。这种封装方式简单方便、易于实施。

以上VCSEL激光器的封装结构，构成了一个实际可用的激光器模组，比起基于普通平行光锥或者镜筒的边发射激光器模组，具有以下明显的优势：该激光器模组使用VCSEL替代了传统的边发射激光器，大幅提高了激光器的可靠性；该激光器模组可以在80℃甚至更高温度下工作，更能适应恶劣的环境温度；该激光器模组具有更高的汇聚效率(因为VCSEL发散角更小，且向圆心汇聚)，光学损失小；该激光器模组在光学出口位置分布更为均匀，近似平顶分布，而非叠加的高斯分布；该激光器模组比边发射激光器模组更易实现更高的功率密度。因此，这种光学汇聚方法解决了传统边发射半导体激光器在过去几十年的可靠性低、不耐高温的缺点，大幅提高了激光器在脉冲状态下的使用寿命。同时通过具有汇聚作用的光学传导器件的引入，在保证高传输效率的情况下实现了多个VCSEL发光单元的功率叠加，大幅提高了光学出口的功率密度，并保证了相对均匀的光学能量分布。这种VCSEL激光器的封装结构，在激光医疗和工业激光加工领域具有广阔的应用前景。

以上对本发明所提供的用于VCSEL激光器的光学汇聚方法及其封装结构进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种用于VCSEL激光器的光学汇聚方法，其特征在于包括如下步骤：

使VCSEL阵列中所有VCSEL芯片或其正投影分布于同一圆的外圆周上，并使所有VCSEL芯片的中心法线在圆心位置相交，构成焦点；所述VCSEL芯片到焦点的距离构成焦距。

2.如权利要求1所述的光学汇聚方法，其特征在于：

通过一个具有内凹形封装面的热沉对VCSEL阵列进行封装，所述热沉的封装面由多个相互呈一定角度的小封装平面组成，所述封装面的截面是一个以焦点为圆心的圆的部分外切多边形，并且，每个小封装平面的中心法线在圆心位置相交。

3.如权利要求1所述的光学汇聚方法，其特征在于：

使用一个入光面的截面为圆弧状或圆弧面外切多边形的光学传输器件对所述VCSEL阵列射出的激光进行汇聚，所述光学传输器件设置在所述VCSEL阵列的出光面的前方，所述光学传输器件的内壁平行于以焦点为圆心、以焦距为半径的圆的半径方向，所述光学传输器件的长度小于焦距的长度。

4.如权利要求3所述的光学汇聚方法，其特征在于：

所述光学传输器件是内壁抛光的反射镜筒或者基于内壁全反射的导光锥。

5.一种用于实现权利要求1所述光学汇聚方法的VCSEL激光器封装结构，其特征在于包括由多个VCSEL芯片组成的VCSEL阵列和用于封装VCSEL阵列的弧形热沉，所述弧形热沉的封装面的截面是一个圆的部分外切多边形，所述封装面由多个相互呈一定角度的小封装平面组成，所述封装面内凹，并且，每个小封装平面的中心法线在圆心位置处相交；

所述VCSEL阵列中的所有VCSEL芯片分别安装于所述热沉的各个小封装平面上，从而使所有VCSEL芯片分布在同一圆的外圆周上，并且，所有VCSEL芯片的中心法线在圆心位置相交形成焦点，所述VCSEL芯片到焦点的距离构成焦距。

6.如权利要求5所述的VCSEL激光器封装结构，其特征在于：

每个所述小封装平面用于封装一个或多个VCSEL芯片。

7.如权利要求5所述的VCSEL激光器封装结构，其特征在于：

所述VCSEL阵列前方设置有一个入光面的截面为圆弧状或圆弧面外切多边形的光学传输器件，所述光学传输器件的内壁平行于以焦点为圆心、以焦距为半径的圆的半径方向，所述光学传输器件的长度小于所述VCSEL阵列焦距的长度。

8.如权利要求7所述的VCSEL激光器封装结构，其特征在于：

所述光学传输器件是内壁抛光的反射镜筒或者基于内壁全反射的导光锥。

9.如权利要求7所述的VCSEL激光器封装结构，其特征在于：

所述导光锥的入光面和出光面蒸镀光学增透膜。

10.如权利要求7所述的VCSEL激光器封装结构，其特征在于：

所述VCSEL阵列中，所有所述VCSEL芯片紧密排列；

所述光学传输器件的入光面全部覆盖且仅覆盖所述VCSEL芯片阵列的发光区域。