CN105161972A

CN105161972A - 一种光纤输出大功率半导体激光器模块

Info

Publication number: CN105161972A
Application number: CN201510653827.7A
Authority: CN
Inventors: 郭洪; 张靖; 欧翔
Original assignee: CETC 44 Research Institute
Current assignee: CETC 44 Research Institute
Priority date: 2015-10-12
Filing date: 2015-10-12
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明公开一种光纤输出大功率半导体激光器模块，包括待耦合半导体激光器模块、金属化光纤和光纤支架；待耦合半导体激光器模块包括设有腔体的金属管壳，以及顺序焊接固定于腔体内的焊接支架、AlN热沉和激光器芯片；金属化光纤包括输出光纤和自聚焦透镜光纤，自聚焦透镜光纤包括自聚焦光纤及在其一端面的透镜，其另一端面与输出光纤熔接，自聚焦透镜光纤的孔径比输出光纤的孔径大，且其孔径与激光器芯片的发光区宽度匹配；光纤支架焊接固定在焊接支架上，自聚焦透镜光纤焊接固定在光纤支架上，自聚焦透镜光纤与激光器芯片耦合对准。本发明中自聚焦光纤的孔径达到与激光器芯片的发光区宽度匹配，且激光器模块内部所有元件均采用无胶化焊接固定。

Description

一种光纤输出大功率半导体激光器模块

技术领域

本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种光纤输出大功率半导体激光器模块。

背景技术

大功率半导体激光器具有光电转换效率高、寿命长、体积小等优点，在激光泵浦、工业加工、军事工业有广泛的应用。但是，由于大功率半导体激光器光束发散角大，受环境条件影响大等问题，通常需要将半导体激光器光束进行整形，以进一步与光纤进行耦合，并进行密封封装后使用。

随着光纤耦合输出大功率半导体激光器的应用的拓展，特别是应用到一些可靠性要求高的领域，如航空、航天领域等，对器件的可靠性提出了较高的要求。例如，为了得到大功率的耦合光功率输出，通常可以提高耦合效率或增大激光器芯片的光功率。考虑到光纤的端面反射等功率损失，耦合效率最多只能达到大约90％，因此提高芯片功率是增大光纤输出功率的有效途径。

目前，为了提高芯片输出功率，通常采用将芯片的发光区宽度进行增加。但是，本发明的发明人经过研究发现，由于输出光纤的直径是固定的，如果采用光纤直接与发光区宽度增加的芯片进行耦合，其耦合效率将会极低。因此，如何达到光纤与芯片发光区宽度匹配的目的，成为目前亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的如何达到光纤与芯片发光区宽度匹配的技术问题，本发明提供一种光纤输出大功率半导体激光器模块，该激光器模块采用在光纤前端设有一段自聚焦透镜光纤，以达到与芯片发光区宽度相匹配。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光纤输出大功率半导体激光器模块，包括待耦合半导体激光器模块、金属化光纤和光纤支架；其中，

所述待耦合半导体激光器模块包括设有腔体的金属管壳，以及顺序焊接固定于腔体内的焊接支架、AlN热沉和激光器芯片；

所述金属化光纤包括输出光纤和自聚焦透镜光纤，所述自聚焦透镜光纤包括自聚焦光纤以及在自聚焦光纤的一端面磨抛有透镜，自聚焦光纤的另一端面与输出光纤熔接，所述自聚焦透镜光纤的孔径比输出光纤的孔径大，且所述自聚焦透镜光纤的孔径与激光器芯片的发光区宽度匹配；

所述光纤支架焊接固定在所述焊接支架上，所述自聚焦透镜光纤焊接固定在所述光纤支架上，所述自聚焦透镜光纤中的透镜与所述激光器芯片耦合对准。

本发明提供的光纤输出大功率半导体激光器模块中，用于与激光器芯片进行耦合对准的自聚焦透镜光纤采用两种光纤熔接形成，该两种光纤具体包括输出光纤和自聚焦光纤，其自聚焦光纤的孔径与激光器芯片的发光区宽度匹配，由此在保持激光器芯片发光区宽度不变的条件下提高了耦合效率；同时，激光器模块内部所有元件均采用无胶化焊接固定，减少了有机物挥发对激光器芯片的可靠性影响。

进一步，所述焊接支架、AlN热沉和激光器芯片通过分级钎焊工艺焊接固定。

进一步，所述激光器芯片与AlN热沉之间采用Au80Sn20焊料焊接，所述AlN热沉与焊接支架之间采用PbSn焊料焊接，所述焊接支架与金属管壳之间采用In焊料焊接。

进一步，所述自聚焦光纤的另一端面与输出光纤的熔接点位于自聚焦光纤的焦点处。

进一步，所述自聚焦光纤一端面磨抛的透镜为半球形。

进一步，所述半球形透镜的半径为300-400微米。

进一步，所述光纤支架包括光纤固定部以及位于光纤固定部两侧的激光焊接部，所述光纤固定部上设有与所述自聚焦透镜光纤中自聚焦光纤外形匹配的U形凹槽。

进一步，所述光纤支架采用的材料为N6。

进一步，所述自聚焦光纤采用Au80Sn20焊料焊接固定在所述光纤固定部的U形凹槽内。

进一步，所述光纤支架与所述焊接支架之间，以及所述自聚焦透镜光纤与所述光纤支架之间均通过激光焊接工艺焊接固定。

附图说明

图1是本发明提供的光纤输出大功率半导体激光器模块主视结构示意图。

图2是本发明提供的光纤输出大功率半导体激光器模块俯视结构示意图。

图3是本发明提供的待耦合半导体激光器模块侧视结构示意图。

图4是本发明提供的金属化光纤侧视结构示意图。

图5是本发明提供的光纤支架主视结构示意图。

图中，1、待耦合半导体激光器模块；11、金属管壳；111、光纤输出口；112、电流引线；12、焊接支架；13、AlN热沉；14、激光器芯片；2、金属化光纤；21、输出光纤；22、自聚焦透镜光纤；221、自聚焦光纤；222、透镜；3、光纤支架；31、光纤固定部；311、凹槽；32、激光焊接部；321、激光焊点。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

请参考图1和图2所示，本发明提供一种光纤输出大功率半导体激光器模块，包括待耦合半导体激光器模块1、金属化光纤2和光纤支架3；其中，

所述待耦合半导体激光器模块1包括设有腔体的金属管壳，以及顺序焊接固定于腔体内的焊接支架12、AlN(氮化铝)热沉13和激光器芯片14；

所述金属化光纤2包括输出光纤和自聚焦透镜光纤，所述自聚焦透镜光纤包括自聚焦光纤以及在自聚焦光纤的一端面磨抛有透镜，自聚焦光纤的另一端面与输出光纤熔接，所述自聚焦透镜光纤的孔径比输出光纤的孔径大，且所述自聚焦透镜光纤的孔径与激光器芯片的发光区宽度匹配；

所述光纤支架3焊接固定在所述焊接支架12上，所述自聚焦透镜光纤焊接固定在所述光纤支架上，所述自聚焦透镜光纤中的透镜与所述激光器芯片耦合对准。

作为具体实施例，请参考图3所示，所述待耦合半导体激光器模块1包括设有腔体的金属管壳11，以及顺序焊接固定于腔体内的焊接支架12、AlN热沉13和激光器芯片14；同时，与现有结构相同，所述金属管壳11上还设有用于所述金属化光纤2穿出的光纤输出口111，以及给所述激光器芯片14提供电流的电流引线112。作为一种实施方式，所述焊接支架12、AlN热沉13和激光器芯片14通过分级钎焊工艺焊接固定，而所述分级钎焊的具体工艺已为本领域技术人员熟知，在此不再赘述。当然，本领域技术人员在前述分级钎焊的工艺基础上，还可以采用其它的焊接工艺，只要能够保证焊接支架12、AlN热沉13和激光器芯片14有效焊接固定即可。

作为具体实施例，所述焊接支架12、AlN热沉13和激光器芯片14采用金属焊料焊接固定。作为一种实施方式，所述激光器芯片14与AlN热沉13之间采用Au80Sn20(金锡合金)焊料焊接，所述AlN热沉13与焊接支架12之间采用PbSn(铅锡合金)焊料焊接，所述焊接支架12与金属管壳11之间采用In(铟)焊料焊接，由此实现金属管壳11内部所有元件的固定均采用金属焊料焊接固定，即实现了无胶化的焊接固定，从而减少了有机物挥发对激光器芯片的可靠性影响。特别地，所述激光器芯片14与AlN热沉13之间采用Au80Sn20焊料焊接，而Au80Sn20焊料具有高低温循环条件下比较稳定的特性，因而可以实现激光器芯片14与AlN热沉13之间的有效焊接。

作为具体实施例，请参考图4所示，所述金属化光纤2包括输出光纤21和自聚焦透镜光纤22两种光纤，所述自聚焦透镜光纤22包括自聚焦光纤221以及在自聚焦光纤221的一端面磨抛有透镜222，自聚焦光纤221的另一端面与输出光纤21熔接，所述自聚焦透镜光纤22的孔径比输出光纤21的孔径大，且所述自聚焦透镜光纤22的孔径与激光器芯片14的发光区宽度匹配。具体地，所述自聚焦光纤221一端面的透镜222通过研磨抛光形成，且透镜222的孔径与自聚焦光纤221的孔径相等，即自聚焦光纤221的孔径即为自聚焦透镜光纤22的孔径，然后将自聚焦光纤221的另一端面与输出光纤21进行熔接，最后将熔接好的光纤进行金属化处理，即可形成所述金属化光纤2。本实施例中，将所述自聚焦透镜光纤22的孔径比输出光纤21的孔径大，且所述自聚焦透镜光纤22的孔径与激光器芯片14的发光区宽度匹配，由此实现在保持激光器芯片发光区宽度不变的条件下提高了耦合效率。

作为优选实施例，所述自聚焦光纤221的另一端面与输出光纤21的熔接点位于自聚焦光纤221的焦点处，由此可以从激光器芯片14收集最大能量的光。

作为优选实施例，所述自聚焦光纤221一端面磨抛的透镜222为半球形，由此可以提高自聚焦光纤数值孔径。

作为优选实施例，所述半球形透镜222的半径为300-400微米，由此可以提高耦合效率。

作为具体实施例，请参考图5所示，所述光纤支架3包括光纤固定部31以及位于光纤固定部31两侧的激光焊接部32，所述光纤固定部31上设有与所述自聚焦透镜光纤22中自聚焦光纤221外形匹配的U形凹槽311，由此在将所述自聚焦光纤221焊接固定到所述凹槽311时，可以防止所述自聚焦光纤221在凹槽311的径向方向产生位移，实现更好地的焊接固定。所述光纤支架3通过激光焊接部32焊接固定在所述焊接支架12上，且在所述激光焊接部32上还设有多个激光焊点321，该多个激光焊点321是采用激光焊接形成的。

作为优选实施例，所述光纤支架3采用的材料为N6(镍材料)，且设置有U型凹槽，由此可以提高光纤固定点在高低温下的可靠性。

作为优选实施例，所述自聚焦光纤采用Au80Sn20焊料焊接固定在所述光纤固定部的U形凹槽内，由此可以提高焊接点的长期稳定性。

作为具体实施例，所述光纤支架与所述焊接支架之间，以及所述自聚焦透镜光纤与所述光纤支架之间均通过激光焊接工艺焊接固定。具体地，当所述待耦合半导体激光器模块1内部的所有元件焊接组装完成以后，将所述待耦合半导体激光器模块1与所述金属化光纤2进行耦合对准，即将所述自聚焦透镜光纤22前端的透镜222与所述激光器芯片14耦合对准(属于有源对准)，并通过与所述输出光纤21连接的功率计进行检测，当检测到耦合效率达到最大时，采用激光焊接将所述焊接支架12与光纤支架3的激光焊接部32进行焊接固定，然后再采用金属焊料将所述金属化光纤2的自聚焦光纤221与所述光纤支架3的凹槽311进行焊接固定，最终完成本发明提供的光纤输出大功率半导体激光器模块的制作。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims

1.一种光纤输出大功率半导体激光器模块，其特征在于，包括待耦合半导体激光器模块、金属化光纤和光纤支架；其中，

2.根据权利要求1所述的光纤输出大功率半导体激光器模块，其特征在于，所述焊接支架、AlN热沉和激光器芯片通过分级钎焊工艺焊接固定。

3.根据权利要求1所述的光纤输出大功率半导体激光器模块，其特征在于，所述激光器芯片与AlN热沉之间采用Au80Sn20焊料焊接，所述AlN热沉与焊接支架之间采用PbSn焊料焊接，所述焊接支架与金属管壳之间采用In焊料焊接。

4.根据权利要求1所述的光纤输出大功率半导体激光器模块，其特征在于，所述自聚焦光纤的另一端面与输出光纤的熔接点位于自聚焦光纤的焦点处。

5.根据权利要求1所述的光纤输出大功率半导体激光器模块，其特征在于，所述自聚焦光纤一端面磨抛的透镜为半球形。

6.根据权利要求5所述的光纤输出大功率半导体激光器模块，其特征在于，所述半球形透镜的半径为300-400微米。

7.根据权利要求1所述的光纤输出大功率半导体激光器模块，其特征在于，所述光纤支架包括光纤固定部以及位于光纤固定部两侧的激光焊接部，所述光纤固定部上设有与所述自聚焦透镜光纤中自聚焦光纤外形匹配的U形凹槽。

8.根据权利要求7所述的光纤输出大功率半导体激光器模块，其特征在于，所述光纤支架采用的材料为N6。

9.根据权利要求7所述的光纤输出大功率半导体激光器模块，其特征在于，所述自聚焦光纤采用Au80Sn20焊料焊接固定在所述光纤固定部的U形凹槽内。

10.根据权利要求1所述的光纤输出大功率半导体激光器模块，其特征在于，所述光纤支架与所述焊接支架之间，以及所述自聚焦透镜光纤与所述光纤支架之间均通过激光焊接工艺焊接固定。