CN105186288A - 白光半导体激光器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体激光器阵列技术领域，具体涉及一种白光半导体激光器阵列。其包括底座，底座上构造有至少一个环状的屋脊结构，任意两个屋脊结构的中心轴均重合；任一屋脊结构的侧面均中心对称地设有半导体激光芯片，半导体激光芯片包括红光半导体激光芯片，绿光半导体激光芯片，以及蓝光半导体激光芯片。本发明通过三色激光芯片同时封装的形式，能够大大简化后续的光路整形系统。

Description

白光半导体激光器阵列

技术领域

本发明涉及半导体激光器阵列技术领域，具体地说，涉及一种白光半导体激光器阵列。

背景技术

现有激光显示和照明领域所用可见光激光光源主要有半导体泵浦固体激光器和半导体激光器两种。随着半导体激光器功率不断提升，半导体泵浦固体激光器所存在的激光散斑高、工作环境要求苛刻、成本高等缺点愈发凸显，故激光源的发展趋势越来越趋向于半导体激光器。

目前，半导体激光器封装方式主要有单管LD、Bar条和半导体激光器阵列三种形式。其中，单管LD出光功率较低，因而需要靠数量来弥补单体功率不足的缺点，但是数量增加的同时也使得散热问题凸显；Bar条封装方式，功率相对较高，但随着显示和照明要求的亮度越来越高，Bar条封装的出光功率还是不能够较好的满足实际应用；半导体激光器阵列可以在很小的体积内集成数十个发光芯片，能够较好地形成数十瓦的激光输出，使用起来十分便利，因而运用较为宽泛。但是，上述三种封装方式均为单色芯片单独封装的方式，因半导体激光器在用于显示领域时，经常会遇到需要三色激光同时输出的场合，从而就涉及到了对三个不同色的激光阵列进行合光的问题，而此过程中会使用到复杂的光束整形合光光学系统，十分不便。另一方面，现有的半导体激光器阵列大多采用矩形排布方式，虽然矩形排布方式的封装工艺简单、电路板排布简洁，但是，由于所有半导体激光器芯片的快轴均在一个方向上，故在后期整形中就不可避免的需要使用柱面透镜，从而增加了整形光路的复杂性，使得后续处理成本难以降低。

另外，虽然随着科技进步，半导体激光器技术日臻完善，但是半导体激光器在小型化、密集化应用的方向上始终难以突破瓶颈，究其原因，应当是现有半导体激光器阵列所采用的阵列方式不能够为集成式激光芯片带来较佳的工作稳定性。

除上述之外，在半导体激光器具体应用的如投影机领域中，在使用激光光源时均需要对其进行匀光处理，以获得一个光强分布均匀的特定形状光斑，从而能够均匀的照射成像芯片。现有的匀光处理主要有复眼透镜组技术和匀光管技术，其中，复眼透镜组技术需要较大的准直入射光斑，故激光光源用此匀光技术没有优势；而匀光管技术分为实心光管和空心光管两类，它们各有优缺点。由于现有半导体激光器存在上述的各种缺陷，从而导致匀光管与激光光源匹配时需要对激光光源进行整形、入射角度调整等操作，因此需要专配一套整形、角度调整装置，不仅操作复杂且成本较高。

发明内容

为了能够克服现有激光器阵列后期整形复杂的问题，本发明提供了一种圆对称半导体激光器阵列。

根据本发明的圆对称半导体激光器阵列，其包括底座，底座上构造有至少一个环状的屋脊结构，所述至少一个屋脊结构具有同一中心轴；任一屋脊结构的侧面均中心对称地设有半导体激光芯片。

本发明的圆对称半导体激光器阵列中，能够通过中心对称地设有半导体激光芯片的方式，使得激光器阵列的输出光束能够较佳地呈现圆对称特性，能够省去后续整形所采用的柱面透镜，从而使得装配工艺大为简化、制造成本大为降低。本发明打破了传统矩形排布的思维定势，能够通过采用例如cos半导体激光芯片进行圆对称排列，使得虽然单个发光芯片还保持了XY方向发散角差异，但阵列整体发光方式表现为圆对称方式，从而使得后期整形光路大为简洁。

另外，半导体激光芯片能够通过同心圆状的多个屋脊结构设置在底座上，而每一个屋脊结构上设置的多个半导体激光芯片均能够为中心对称的排布，从而较佳地使得排布后的激光光束参数在各个方向上对称。

作为优选，底座内部设有温度传感器，温度传感器用于采集半导体激光芯片的工作温度并对应产生温度信号。

本发明的圆对称半导体激光器阵列中，能够在底座内部设置温度传感器，从而能够较佳地实时检测半导体激光芯片的工作温度，从而能够实时的对激光器阵列的工作状态进行调整，较好地保证了其工作稳定性。

作为优选，底座处设有电气接口，电气接口包括用于向半导体激光芯片供电的供电接口，以及用于读取温度信号的数据接口。

本发明的圆对称半导体激光器阵列中，供电接口能够有多个，而多个半导体激光芯片能够对应供电接口的数量划分为多组，其中每一组的半导体激光芯片均能够串联或并联连接后与不同的供电接口进行连接，从而使得能够通过对不同的供电接口进行供电，而使得本发明的激光器阵列能够以不同的状态进行工作，进而能够较灵活地运用于实际生产中。

作为优选，底座内能够设有例如用于固定屋脊结构的基板，基板内侧设有用于安置半导体激光芯片的电路板。

本发明的圆对称半导体激光器阵列中，能够在电路板上方设置一层基板，基板的设置使得屋脊结构能够较佳地固定在底座上，并且能够较佳地隔离电路板与电路上设置的半导体激光芯片，从而能够起到较佳地保护作用。

作为优选，半导体激光芯片与基板共晶焊接。

本发明的圆对称半导体激光器阵列中，半导体激光芯片能够与基板共晶焊接，从而能够较佳地对半导体激光芯片，保证了半导体激光芯片的工作稳定性。

作为优选，半导体激光芯片与电路板金线连接。

本发明的圆对称半导体激光器阵列中，半导体激光芯片能够与电路板金线连接，从而使得半导体激光芯片能够较佳地与电路板进行电连接。

作为优选，任意相邻半导体激光芯片间的间距为2～5mm。

本发明的圆对称半导体激光器阵列中，任意相邻半导体激光芯片间的间距能够为2～5mm，这种设置在能够获得较佳光强、较佳降低底座体积的同时，还能够较佳地解决相邻半导体激光芯片间的干涉问题以及散热问题。

作为优选，任一屋脊结构均构造成中心对称的多边形。

本发明的圆对称半导体激光器阵列中，屋脊结构能够构造成中心对称的多边形，从而使得屋脊结构每天侧边上均能够较佳地根据需求设置一个或多个半导体激光芯片，从而较佳的简化了装配工艺。

作为优选，相应半导体激光芯片设置于对应屋脊结构的外侧。

本发明的圆对称半导体激光器阵列中，半导体激光芯片能够设于屋脊结构的外侧，从而使得每个屋脊结构上的半导体激光芯片能够较佳的隔离，保证了工作的稳定性。

本发明的圆对称半导体激光器阵列中，通过采用同心环状的屋脊结构对半导体激光芯片进行支撑，使得半导体激光芯片便于安装的同时，还使得能够通过调整屋脊结构的环数而对整体功率进行较佳地调整。

为了能够克服现有激光器阵列后期合光、整形复杂的问题，本发明还提供了一种白光半导体激光器阵列。

根据本发明的白光半导体激光器阵列，其包括底座，底座上构造有至少一个环状的屋脊结构，所述至少一个屋脊结构具有同一中心轴；任一屋脊结构的侧面均中心对称地设有半导体激光芯片，半导体激光芯片包括红光半导体激光芯片，绿光半导体激光芯片，以及蓝光半导体激光芯片。

本发明的白光半导体激光器阵列中，能够通过在一个阵列中按照一定功率比例同时封装红绿蓝三色半导体激光芯片，使得一个半导体激光器阵列可以同时或分时输出RGB激光，经过简单的匀光系统即可较佳地获得适用于显示或照明的白光光源，避免了复杂整形合光系统，使得装配工艺大为简化。

另外，红绿蓝三色半导体激光芯片的排列方式能够采用上述任一种圆对称半导体激光器阵列的排布构造，从而能够带来相同的技术效果。

作为优选，底座内部设有温度传感器，温度传感器用于采集半导体激光芯片的工作温度并对应产生温度信号。

本发明的白光半导体激光器阵列中，能够在底座内部设置温度传感器，从而能够较佳地实时检测半导体激光芯片的工作温度，从而能够实时的对激光器阵列的工作状态进行调整，较好地保证了其工作稳定性。

作为优选，底座处设有电气接口，电气接口包括用于向半导体激光芯片供电的供电接口，以及用于读取温度信号的数据接口。

作为优选，红光半导体激光芯片、绿光半导体激光芯片以及蓝光半导体激光芯片分别采用不同的供电接口单独供电。

本发明的白光半导体激光器阵列中，供电接口能够有多个，而半导体激光芯片能够对应于供电接口的数量而分为多组，其中，任一组中的半导体激光芯片能够为相同颜色的半导体激光芯片，从而能够通过对不同的供电接口进行供电，而较佳地获得不同的激光。

作为优选，底座内设有用于固定屋脊结构的基板，基板内侧设有用于安置半导体激光芯片的电路板。

作为优选，半导体激光芯片与基板共晶焊接。

作为优选，半导体激光芯片与电路板金线连接。

作为优选，任意相邻半导体激光芯片间的间距为2～5mm。

作为优选，红光半导体激光芯片、绿光半导体激光芯片、以及蓝光半导体激光芯片的数量比为1:0.86:0.52。

本发明的白光半导体激光器阵列中，红光半导体激光芯片、绿光半导体激光芯片、以及蓝光半导体激光芯片的功率比较佳的为1:0.86:0.52，此种功率比使得其在具备较佳地散热性能的同时，也使得其在共同工作时能够获得较佳色温的白色激光。

本发明的白光半导体激光器阵列，打破了单色芯片封装的思维定势，能够通过采用例如三色COS芯片混装封装的方式，达到一个激光器阵列同时或者分时输出红绿蓝三色激光的能力，省略了后续整形合光系统，结构大大简化。在进行芯片封装时，能够相间的封装三色激光芯片，红绿蓝芯片的数量能够按照所需白光色温不同而采用不同的比值。本发明的白光半导体激光器阵列直接应用于投影光机时，无需进行整形合束，直接进入匀光光路，极大的简化了光路结构。

另外，本发明的白光半导体激光器阵列中，所有半导体激光芯片还能够采用例如现有的矩形封装阵列、蝶形封装阵列、TO封装等方式进行封装。

为了能够克服现有激光器阵列用于匀光管时需要复杂整形系统的问题，本发明还提供了一种自发光激光匀光管。

根据本发明的自发光激光匀光管，其包括通过连接支架连接为一体的匀光管本体和阵列激光器，阵列激光器包括底座，底座近匀光管本体侧构造有至少一个环状的屋脊结构，所述至少一个屋脊结构具有同一中心轴，任一屋脊结构的侧面均中心对称地设有半导体激光芯片，半导体激光芯片包括红光半导体激光芯片、绿光半导体激光芯片以及蓝光半导体激光芯片。

本发明的自发光激光匀光管中，其阵列激光器能够采用上述任一种白光半导体激光器阵列，并能够带来相应的技术效果。同时，也是因为阵列激光器采用上述任一种白光半导体激光器阵列的结构，使得输的激光无需进行复杂的合光、整形，从而能够直接进入匀光管中，实现匀光处理。从而能够较佳地省去阵列激光器与匀光管间的调节整形装置，从而较佳的简化了整个投影光路。

作为优选，底座内部设有温度传感器，温度传感器用于采集半导体激光芯片的工作温度并对应产生温度信号。

作为优选，底座处设有电气接口，电气接口包括用于向半导体激光芯片供电的供电接口。

作为优选，红光半导体激光芯片、绿光半导体激光芯片以及蓝光半导体激光芯片分别采用不同的供电接口单独供电。

本发明的自发光激光匀光管中，每个颜色的半导体激光芯片均能够分为多组并单独供电，从而能够较佳地获得不同色温的白光。

作为优选，电气接口还包括用于读取温度信号的数据接口。

作为优选，底座内设有用于固定屋脊结构的基板，基板内侧设有用于安置半导体激光芯片的电路板。

作为优选，半导体激光芯片与基板共晶焊接，半导体激光芯片与电路板金线连接。

作为优选，红光半导体激光芯片、绿光半导体激光芯片以及蓝光半导体激光芯片的功率比为1:0.86:0.52。

作为优选，任意相邻半导体激光芯片间的间距为2～5mm。

本发明的自发光激光匀光管中，任意相邻半导体激光芯片间的间距能够为2～5mm，这种设置在能够获得较佳光强、较佳降低底座体积的同时，还能够较佳地解决相邻半导体激光芯片间的干涉问题以及散热问题。

本发明的自发光激光匀光管中，匀光管本体能够根据具体需求而设计为空心光管或者实心光管，而根据投影芯片的尺寸比例不同，匀光管本体的出光面可以设计为4:3和16:9两种比例，同时阵列激光器也能够根据光管4:3和16:9进行相适应的排布封装，从而能够较佳的保证匀光管的输出光的较佳光均匀性。

为了能够克服现有激光器阵列体积较大且不利于光学元件标准化、小型化发展等问题，本发明还提供了一种集成激光芯片。

根据本发明的集成激光芯片，其包括构造成框状的壳体，壳体下端开口处设有介质基片，壳体上端开口处设有透明的输出窗口；介质基片处布设有连接线路，介质基片上方阵列有与连接线路连接的且发光面正对输出窗口的半导体激光器芯片；介质基片处还引出有引脚，引脚用于通过连接线路向半导体激光器芯片供电。

本发明的集成激光芯片中，能够将多个半导体激光器芯片集成在一个芯片内，从而较佳地实现了激光器件的微小型化，同时具备较佳地可靠性，使得激光芯片的标准化程度得到较佳的提升。通过本发明的集成激光芯片，使得激光芯片能够如同集成电路芯片一样，作为标准的光学元件，光学工程师可以如同电子工程师一样，从标准零件库中选择所需的集成式激光芯片，直接插在专用的PCB电路板上使用，从而极大地推进了光学元件标准化的发展。

本发明的集成激光芯片中，介质基片能够采用具备良好散热能力和绝缘能力的材料制成，从而能够较佳提升其工作稳定性。

作为优选，介质基片上方设有用于支撑半导体激光器芯片的支撑结构。

作为优选，支撑结构包括至少一个环状的屋脊结构，所述至少一个屋脊结构具有同一中心轴，任一屋脊结构的侧面均中心对称地设有半导体激光芯片。

本发明的集成激光芯片中，其支撑结构能够采用上述任意一种同心环状的屋脊结构，从而能够带来相应的技术效果，而半导体激光芯片能够采用中心对称的方式进行排布，从而能够获得具备较佳圆对称特性的激光，进而能够省去复杂的光路整形系统，降低其制造难度，获得较小的体积。

作为优选，输出窗口的材料为玻璃或高透光塑料材质。

本发明的集成激光芯片中，输出窗口的材料能够为例如玻璃或高透光塑料材质，从而使得激光能够较佳地输出。

作为优选，输出窗口的材料为平面玻璃或表面经二元光学处理的玻璃。

本发明的集成激光芯片中，输出窗口的材料能够为平面玻璃或表面经二元光学处理的玻璃，从而使得激光能够较佳地输出。

作为优选，半导体激光芯片包括红光半导体激光芯片、绿光半导体激光芯片以及蓝光半导体激光芯片。

本发明的集成激光芯片中，半导体激光芯片能够包括红光半导体激光芯片、绿光半导体激光芯片以及蓝光半导体激光芯片，从而能够较佳地同时或分时输出不同的激光，使得其应用范围更加广泛。

作为优选，红光半导体激光芯片、绿光半导体激光芯片以及蓝光半导体激光芯片分别采用不同的引脚单独供电。

作为优选，红光半导体激光芯片、绿光半导体激光芯片以及蓝光半导体激光芯片的功率比为1:0.86:0.52。

本发明的集成激光芯片中，红光半导体激光芯片、绿光半导体激光芯片、以及蓝光半导体激光芯片的功率比较佳的为1:0.86:0.52，此种功率比使得其在具备较佳地散热性能的同时，也使得其在共同工作时能够获得较佳色温的白色激光。

本发明的集成激光芯片中，介质基片处还能够封装入保护电路，从而能够较佳地对半导体激光器芯片进行保护。而封装外壳能够为圆壳式、扁平式或双列直插式等多种形式。

附图说明

图1为实施例1中圆对称半导体激光器阵列的示意图；

图2为实施例3中白光半导体激光器阵列的示意图；

图3为实施例4中自发光激光匀光管的示意图；

图4为实施例5中集成激光芯片的示意图；

图5为图4的俯向示意图；

图6为图4的竖剖示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种圆对称半导体激光器阵列，其包括底座110。其中，底座110上构造有多个环状的屋脊结构150，任意两个屋脊结构150的中心轴均重合；任一屋脊结构150的侧面均中心对称地设有半导体激光芯片。

本实施例中，底座110内设有用于固定屋脊结构150的基板120，基板120内侧设有用于安置半导体激光芯片的电路板。半导体激光芯片与基板120共晶焊接，半导体激光芯片与电路板金线连接。底座110内部与基板120接触的设有温度传感器，本实施例中的温度传感器采用热电偶式温度传感器，温度传感器用于采集半导体激光芯片的工作温度并对应产生温度信号。

另外，底座110处还设有电气接口140，电气接口140包括与电路板连接的用于向半导体激光芯片供电的供电接口，以及用于读取温度信号的数据接口。本实施例中，供电接口设有多个，不同的供电接口分别对应向设于不同屋脊结构150上的所有半导体激光芯片供电，从而实现了对设于屋脊结构150上的半导体激光芯片进行单独供电，进而能够较佳地对本实施例中的激光器阵列的发光功率进行调整。

本实施例中，最里层的屋脊结构150构造成柱状，由于最里层屋脊结构150的尺寸较小，构造成柱状反而能够节约制造成本，且便于装配。应当注意的是，虽然本实施例的附图(图1)中仅示出了3个构造成同心环的屋脊结构150，但是在实际生产中，屋脊结构150的数量应当示所需功率而定。

本实施例中，最里层屋脊结构150构造成中心对称的直棱柱，其余屋脊结构150均构造成中心对称的多边形，并且任意相邻屋脊结构150的间距相等。其中，半导体激光芯片设于屋脊结构150的外侧边上，并且任意相邻半导体激光芯片间的间距能够为2～5mm中个任一数值(本实施例中为2.5mm)。

实施例2

本实施例中提供了一种白光半导体激光器阵列，其与实施例1的不同之处在于：半导体激光芯片包括红光半导体激光芯片131，绿光半导体激光芯片132，以及蓝光半导体激光芯片133，且同一屋脊结构150上设置相同颜色的半导体激光芯片。

另外，本实施例中，红光半导体激光芯片131、绿光半导体激光芯片132、以及蓝光半导体激光芯片133的功率比为1:0.86:0.52。

实施例3

如图2所示，本实施例也提供了一种白光半导体激光器阵列其与实施例2的不同之处在于：半导体激光芯片呈矩形状排布，且屋脊结构150包括阵列成矩形的多个矩形块。

另外，本实施例中，红光半导体激光芯片131、绿光半导体激光芯片132、以及蓝光半导体激光芯片133相间排布。

实施例4

如图3所示，本实施例提供了一种自发光激光匀光管，其包括通过连接支架连接为一体的匀光管本体和阵列激光器。

本实施例中的阵列激光器能够采用实施例1中或实施例2中的激光器阵列。本实施例中的连接支架整体构造成管状，且包括与匀光管本体连接的第一连接部和与阵列激光器连接的第二连接部，第一连接部构造成与匀光管本体连接处外廓对应的槽状，第二连接部构造成与阵列激光器连接处外廓对应的槽状。

实施例5

如图4、图5、图6所示，本实施例提供了一种集成激光芯片，其包括构造成框状的壳体310。其中，壳体310下端开口处设有介质基片320，壳体310上端开口处设有透明的输出窗口350；介质基片320处布设有连接线路，介质基片320上方阵列有与连接线路连接的且发光面正对输出窗口350的半导体激光器芯片340；介质基片320处还引出有引脚360，引脚360用于通过连接线路向半导体激光器芯片340供电。

本实施例中，介质基片320上方设有用于支撑半导体激光器芯片340的支撑结构330，支撑结构330构造成位于介质基片320中心的直四棱柱状，直四棱柱状的侧边均布有多个半导体激光器芯片340。

本实施例中，壳体310上端开口处构造有台阶槽，从而使得输出窗口350能够较佳地嵌入壳体310上端开口处。另外，输出窗口350的材料为平面玻璃材质。

实施例6

本实施例中也提供了一种集成激光芯片，其与实施例5的不同之处在于：支撑结构330采用实施例2中的多个环状的屋脊结构150，且半导体激光器芯片340的种类以及与多个环状的屋脊结构150连接方式均与实施例2相同。

另外，本实施例中，输出窗口350的材料为高透光塑料材质。

实施例7

本实施例中也提供了一种集成激光芯片，其与实施例6的不同之处在于：输出窗口350的材料为表面经二元光学处理的玻璃材质。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.白光半导体激光器阵列，其特征在于：包括底座(110)，底座(110)上构造有至少一个环状的屋脊结构(150)；任一屋脊结构(150)的侧面均中心对称地设有半导体激光芯片，半导体激光芯片包括红光半导体激光芯片(131)，绿光半导体激光芯片(132)，以及蓝光半导体激光芯片(133)。

2.根据权利要求1所述的白光半导体激光器阵列，其特征在于：底座(110)内部设有温度传感器，温度传感器用于采集半导体激光芯片的工作温度并对应产生温度信号。

3.根据权利要求2所述的白光半导体激光器阵列，其特征在于：底座(110)处设有电气接口(140)，电气接口(140)包括用于向半导体激光芯片供电的供电接口，以及用于读取温度信号的数据接口。

4.根据权利要求3所述的白光半导体激光器阵列，其特征在于：红光半导体激光芯片(131)、绿光半导体激光芯片(132)以及蓝光半导体激光芯片(133)分别采用不同的供电接口单独供电。

5.根据权利要求1所述的白光半导体激光器阵列，其特征在于：底座(110)内设有用于固定屋脊结构(150)的基板(120)，基板(120)内侧设有用于安置半导体激光芯片的电路板。

6.根据权利要求5所述的白光半导体激光器阵列，其特征在于：半导体激光芯片与基板(120)共晶焊接。

7.根据权利要求5所述的白光半导体激光器阵列，其特征在于：半导体激光芯片与电路板金线连接。

8.根据权利要求1～7中任一所述的白光半导体激光器阵列，其特征在于：任意相邻半导体激光芯片间的间距为2～5mm。

9.根据权利要求1～7中任一所述的白光半导体激光器阵列，其特征在于：红光半导体激光芯片(131)、绿光半导体激光芯片(132)、以及蓝光半导体激光芯片(133)的功率比为1:0.86:0.52。