CN106019859A - 一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器，与现有技术相比解决了尚无高功率紫外半导体激光器的缺陷。本发明的上排半导体发光阵列包括16个上光纤耦合模块，下排半导体发光阵列包括16个下光纤耦合模块，16个上光纤耦合模块和16个下光纤耦合模块上均接有光纤；16个上光纤耦合模块所接的光纤捆绑成二号光纤束，二号光纤束接入二号光纤输出端口，16个下光纤耦合模块所接的光纤捆绑成一号光纤束，一号光纤束接入一号光纤输出端口。本发明将相应波段半导体发光二极管发出的光通过非球面耦合透镜收进光纤，再对相应波段的光纤进行一定比例的搭配捆绑，达到同一输出光纤束具有高功率波长的目的。
Description
技术领域
本发明涉及激光直写曝光机技术领域，具体来说是一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器。
背景技术
激光直写装备在电路板PCB制造中占有重要位置，不同的曝光干膜或者油墨所对应的最佳曝光波长不同，对一种干膜或者油墨曝光时使用合适的多波长能够增加产能。目前单颗375nm或者405nm半导体发光二极管最大只有1.1W，如果需要大于10W的半导体激光器，就需要将多个半导体发光二极管发出的光通过耦合透镜耦合进光纤，再将光纤进行捆绑。基于这方面原理考虑，如何制作出高功率紫外半导体激光器已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中尚无高功率紫外半导体激光器的缺陷，提供一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器，包括壳体，所述的壳体内安装有上排半导体发光阵列和下排半导体发光阵列，壳体的侧部设有一号光纤输出端口和二号光纤输出端口，上排半导体发光阵列和下排半导体发光阵列分别位于一号光纤输出端口的两侧；
上排半导体发光阵列包括16个上光纤耦合模块，下排半导体发光阵列包括16个下光纤耦合模块，16个上光纤耦合模块和16个下光纤耦合模块上均接有光纤；16个上光纤耦合模块所接的光纤捆绑成二号光纤束，二号光纤束接入二号光纤输出端口，16个下光纤耦合模块所接的光纤捆绑成一号光纤束，一号光纤束接入一号光纤输出端口。
所述上光纤耦合模块的半导体发光二极管为405nm半导体发光二极管，下光纤耦合模块的半导体发光二极管为375nm半导体发光二极管。
所述上光纤耦合模块的半导体发光二极管和下光纤耦合模块的半导体发光二极管均为405nm半导体发光二极管。
所述的上光纤耦合模块包括半导体发光二极管和耦合透镜，半导体发光二极管和耦合透镜均安装在中间件上，中间件横向安装有连接件，连接件上安装有光纤陶瓷插头，光纤陶瓷插头上连接有光纤，所述的半导体发光二极管、耦合透镜和光纤陶瓷插头三者依次排列且三者的中间点位于同一条直线上。
还包括安装在壳体内的循环水冷却装置，所述的循环水冷却装置包括进水管、出水管、上导热铜块和下导热铜块，所述的进水管和出水管均安装在壳体的同一侧部，进水管通过上直通快速接头安装在上导热铜块的进水口上，上导热铜块的出水口安装有上直角快速接头，上直角快速接头安装在串联冷却水管的一端，串联冷却水管的另一端安装有下直角快速接头，下直角快速接头安装在下导热铜块的进水口上，下导热铜块的出水口通过下直通快速接头与出水管相接；所述的上排半导体发光阵列安装在上导热铜块上，所述的下排半导体发光阵列安装在下导热铜块上。
所述的光纤均为石英光纤，光纤内径均为123um。
所述的耦合透镜的两个表面均为非球面结构，耦合透镜与半导体发光二极管相对的一面的数值孔径为0.5，耦合透镜与光纤陶瓷插头相对的一面的数值孔径为0.2。
所述的上导热铜块包括底座和上盖，底座内部横向设有通水管，上直通快速接头安装在通水管的进水口上，上直角快速接头安装在通水管的出水口上；底座上设有16个下凹口，上盖底部设有16个上凹口，上排半导体发光阵列的16个上光纤耦合模块分别安装在16个下凹口上，上盖安装在底座上且16个上凹口分别安装在上排半导体发光阵列的16个上光纤耦合模块上。
有益效果
本发明的一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器，与现有技术相比将相应波段半导体发光二极管发出的光通过非球面耦合透镜收进光纤，再对相应波段的光纤进行一定比例的搭配捆绑，达到同一输出光纤束具有高功率波长的目的，同时满足激光器的高功率需要。本发明中二个光纤束可以具有相同的高输出功率，也可以同时具有375nm和405nm波长的高输出功率，达到高功率输出的目的。
附图说明
图1为本发明的结构俯视图；
图2为本发明中上光纤耦合模块的结构剖面图；
图3为本发明中上导热铜块的立体结构图；
图4为图3的纵向剖面图；
图5为图3的结构爆炸图；
其中，1-半导体发光二极管、2-耦合透镜、3-光纤陶瓷插头、4-光纤、5-下光纤耦合模块、6-上光纤耦合模块、7-一号光纤输出端口、8-二号光纤输出端口、11-壳体、12-上排半导体发光阵列、13-下排半导体发光阵列、14-连接件、15-一号光纤束、16-二号光纤束、17-中间件、20-下导热铜块、21-进水管、22-出水管、23-上导热铜块、24-上直通快速接头、25-上直角快速接头、26-串联冷却水管、27-下直角快速接头、28-下直通快速接头、31-上盖、32-底座、33-通水管、34-下凹口、35-上凹口。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1所示，本发明所述的一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器，包括壳体11，壳体11用于各组件的安装固定。壳体11内安装有上排半导体发光阵列12和下排半导体发光阵列13，上排半导体发光阵列12和下排半导体发光阵列13均用于产生高功率波长。例如，上光纤耦合模块6的半导体发光二极管为405nm半导体发光二极管，下光纤耦合模块5的半导体发光二极管为375nm半导体发光二极管，则上光纤耦合模块6用于产生405nm波长，下排半导体发光阵列13用于产生375nm波长。再如，上光纤耦合模块6的半导体发光二极管和下光纤耦合模块5的半导体发光二极管均为405nm半导体发光二极管，则可以产生两路405nm的高功率波长。
上排半导体发光阵列12和下排半导体发光阵列13在壳体11的布置可以呈镜像对应，只要方便光纤4的引出和缠绕即可。其中，光纤4可以均为石英光纤，光纤4内径均为123um，光学利用率在75%--90%之间，对375nm和405nm波段具有高透过率。壳体11的侧部设有一号光纤输出端口7和二号光纤输出端口8，一号光纤输出端口7和二号光纤输出端口8为现有技术中的光纤输出端口，其安装在壳体11的侧部。为了方便上排半导体发光阵列12的光纤4和下排半导体发光阵列13的光纤4的引出，上排半导体发光阵列12和下排半导体发光阵列13分别位于一号光纤输出端口7（二号光纤输出端口8）的两侧，一号光纤输出端口7和二号光纤输出端口8只要靠近上排半导体发光阵列12和下排半导体发光阵列13即可。
由于单颗375nm或者405nm半导体发光二极管最大只有1.1W，如果需要大于10W的半导体激光器，就需要将多个半导体发光二极管发出的光通过耦合透镜耦合进光纤，再将光纤进行捆绑。因此，上排半导体发光阵列12包括16个上光纤耦合模块6，同样，下排半导体发光阵列13包括16个下光纤耦合模块5。上光纤耦合模块6与下光纤耦合模块5两者结构相同。但上光纤耦合模块6的半导体发光二极管也可以为405nm半导体发光二极管，下光纤耦合模块5的半导体发光二极管也可以为375nm半导体发光二极管，这样上光纤耦合模块6发出405nm波长，下光纤耦合模块5发出375nm波长。16个上光纤耦合模块6和16个下光纤耦合模块5上均接有光纤4，同理，上光纤耦合模块6中接出的光纤4为405nm或375nm的高功率波长，下光纤耦合模块5接出的光纤4为405nm或375nm的高功率波长。
为了实现高功率波长的设计要求，16个上光纤耦合模块6所接的光纤4捆绑成二号光纤束16，则二号光纤束16分别由16根光纤4捆绑而成，其可以为405nm波长或375nm波长。二号光纤束16接入二号光纤输出端口8，则从二号光纤输出端口8输出405nm波长或375nm的高功率波长。同理，另16个下光纤耦合模块5所接的光纤4捆绑成一号光纤束15，一号光纤束15接入一号光纤输出端口7。
如图2所示，上光纤耦合模块6包括半导体发光二极管1和耦合透镜2，半导体发光二极管1和耦合透镜2均安装在中间件17上，半导体发光二极管1发出的光照射在耦合透镜2上。耦合透镜2的两个表面均为非球面结构，耦合透镜2与半导体发光二极管1相对的一面的数值孔径为0.5，耦合透镜2与光纤陶瓷插头3相对的一面的数值孔径为0.2。耦合透镜2设计采用非球面，能最大程度降低球差的影响，提高光学耦合利用率。其材质可选用热压材料。耦合透镜2的两个表面均镀有405nm或者375nm高透膜，耦合透镜2对405nmLD或者375nm的耦合效率在75%-90%。单不局限在405nm或者375nm。
中间件17和连接件14均为现有技术中的安装固定部件，中间件17横向安装有连接件14,其也可以利用现有技术中的光阑设计。连接件14上安装有光纤陶瓷插头3，光纤陶瓷插头3用于接收耦合透镜2耦合后的光信号，光纤陶瓷插头3上连接有光纤4，光纤4将光信号输出。半导体发光二极管1、耦合透镜2和光纤陶瓷插头3三者依次排列且三者的中间点位于同一条直线上，半导体发光二极管1发出的光束经过耦合透镜2耦合后集中到光纤陶瓷插头3上，并通过光纤4对外传输。
由于半导体发光二极管1工作时热量较大，稳定工作温度在20℃~30℃之间，温度波动越大光功率越不稳定，温度过高甚至会烧坏半导体发光二极管1，因此散热就是摆在激光器设计制造中的重要问题。如图1和图3所示，在箱体11中可以设计循环水冷却装置。循环水冷却装置包括进水管21、出水管22、上导热铜块23和下导热铜块20，上导热铜块23和下导热铜块20分别用于上排半导体发光阵列12和下排半导体发光阵列13的散热，上排半导体发光阵列12安装在上导热铜块23上，下排半导体发光阵列13安装在下导热铜块20上。
进水管21和出水管22均安装在壳体11的同一个方向的侧部，进水管21用于冷水的进入，出水管22用于循环冷水的送出。进水管21通过上直通快速接头24安装在上导热铜块23的进水口上，上导热铜块23的出水口安装有上直角快速接头25，在此上直通快速接头24和上直角快速接头25的设计可以方便上导热铜块23的拆卸，当上排半导体发光阵列12出现故障时，通过上直通快速接头24和上直角快速接头25可以方便地将上导热铜块23联同上排半导体发光阵列12一块取出。同样，为了方便上直通快速接头24和上直角快速接头25在上导热铜块23的通水管33上的安装，通水管33的两侧均为密封圆锥管螺纹结构，使得密封更好、安装更方便。
串联冷却水管26用于循环冷水过渡使用，上直角快速接头25安装在串联冷却水管26的一端，串联冷却水管26的另一端安装有下直角快速接头27。同理，下直角快速接头27安装在下导热铜块20的进水口上，下导热铜块20的出水口通过下直通快速接头28与出水管22相接，这样从进水管21进入的冷却水经过上直通快速接头24再进入上导热铜块23，对上排半导体发光阵列12进行降温，再通过上直角快速接头25进入串联冷却水管26，经过上直角快速接头25进入下导热铜块20，对下排半导体发光阵列13进行降温后，通过下直通快速接头28从出水管22输出。
上导热铜块23与下导热铜块20两者内部结构基本相同，只是水流方向略有差异。在此针对上导热铜块23为例，阐述其内部结构，如图4和图5所示，上导热铜块23包括底座32和上盖31，底座32用于安装上光纤耦合模块6。底座32内部横向设有通水管33，通水管33横向贯穿底座32，使得安装在底座32上的光纤耦合模块6均能受到良好的散热。上直通快速接头24安装在通水管33的进水口上，即上直通快速接头24安装在上导热铜块23的进水口上，上直角快速接头25安装在通水管33的出水口上，即上直角快速接头25安装在上导热铜块23的出水口上。
底座32上设有16个下凹口34，下凹口34为上光纤耦合模块6的安装座。为了得到更好的降温效果，下凹口34可以位于通水管33的上方。上盖31底部设有16个上凹口35，上凹口35用于和下凹口34配合对上光纤耦合模块6进行固定限位。上排半导体发光阵列12的16个上光纤耦合模块6分别安装在16个下凹口34上，其可以采用现有技术中多种安装方式进行安装，但为了最优的降温效果，可以将上光纤耦合模块6的半导体发光二极管1安装在下凹口34上，直接对半导体发光二极管1进行降温。上盖31安装在底座32上，16个上凹口35分别安装在上排半导体发光阵列12的16个上光纤耦合模块6上，通过上凹口35和下凹口34将上光纤耦合模块6进行安装固定。
在实际使用时，上排半导体发光阵列12产生405nm波长，下排半导体发光阵列13产生375nm波长，或上排半导体发光阵列12和下排半导体发光阵列13均产生405nm波长，分别从一号光纤输出端口7和二号光纤输出端口8输出高功率的激光信号。冷却水从进水管21中进入，对上排半导体发光阵列12进行降温后再对下排半导体发光阵列13进行降温，最后从出水管22中排出。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器，包括壳体（11），其特征在于：所述的壳体（11）内安装有上排半导体发光阵列（12）和下排半导体发光阵列（13），壳体（11）的侧部设有一号光纤输出端口（7）和二号光纤输出端口（8），上排半导体发光阵列（12）和下排半导体发光阵列（13）分别位于一号光纤输出端口（7）的两侧；
上排半导体发光阵列（12）包括16个上光纤耦合模块（6），下排半导体发光阵列（13）包括16个下光纤耦合模块（5），16个上光纤耦合模块（6）和16个下光纤耦合模块（5）上均接有光纤（4）；16个上光纤耦合模块（6）所接的光纤（4）捆绑成二号光纤束（16），二号光纤束（16）接入二号光纤输出端口（8），16个下光纤耦合模块（5）所接的光纤（4）捆绑成一号光纤束（15），一号光纤束（15）接入一号光纤输出端口（7）。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器，其特征在于：所述上光纤耦合模块（6）的半导体发光二极管为405nm半导体发光二极管，下光纤耦合模块（5）的半导体发光二极管为375nm半导体发光二极管。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器，其特征在于：所述上光纤耦合模块（6）的半导体发光二极管和下光纤耦合模块（5）的半导体发光二极管均为405nm半导体发光二极管。
4.根据权利要求1所述的一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器，其特征在于：所述的上光纤耦合模块（6）包括半导体发光二极管（1）和耦合透镜（2），半导体发光二极管（1）和耦合透镜（2）均安装在中间件（17）上，中间件（17）横向安装有连接件（14），连接件（14）上安装有光纤陶瓷插头（3），光纤陶瓷插头（3）上连接有光纤（4），所述的半导体发光二极管（1）、耦合透镜（2）和光纤陶瓷插头（3）三者依次排列且三者的中间点位于同一条直线上。
5.根据权利要求1所述的一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器，其特征在于：还包括安装在壳体（11）内的循环水冷却装置，所述的循环水冷却装置包括进水管（21）、出水管（22）、上导热铜块（23）和下导热铜块（20），所述的进水管（21）和出水管（22）均安装在壳体（11）的同一侧部，进水管（21）通过上直通快速接头（24）安装在上导热铜块（23）的进水口上，上导热铜块（23）的出水口安装有上直角快速接头（25），上直角快速接头（25）安装在串联冷却水管（26）的一端，串联冷却水管（26）的另一端安装有下直角快速接头（27），下直角快速接头（27）安装在下导热铜块（20）的进水口上，下导热铜块（20）的出水口通过下直通快速接头（28）与出水管（22）相接；所述的上排半导体发光阵列（12）安装在上导热铜块（23）上，所述的下排半导体发光阵列（13）安装在下导热铜块（20）上。
6.根据权利要求1所述的一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器，其特征在于：所述的光纤（4）均为石英光纤，光纤（4）内径均为123um。
7.根据权利要求4所述的一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器，其特征在于：所述的耦合透镜（2）的两个表面均为非球面结构，耦合透镜（2）与半导体发光二极管（1）相对的一面的数值孔径为0.5，耦合透镜（2）与光纤陶瓷插头（3）相对的一面的数值孔径为0.2。
8.根据权利要求5所述的一种用于激光直写曝光机的高功率紫外半导体激光器，其特征在于：所述的上导热铜块（23）包括底座（32）和上盖（31），底座（32）内部横向设有通水管（33），上直通快速接头（24）安装在通水管（33）的进水口上，上直角快速接头（25）安装在通水管（33）的出水口上；底座（32）上设有16个下凹口（34），上盖（31）底部设有16个上凹口（35），上排半导体发光阵列（12）的16个上光纤耦合模块（6）分别安装在16个下凹口（34）上，上盖（31）安装在底座（32）上且16个上凹口（35）分别安装在上排半导体发光阵列（12）的16个上光纤耦合模块（6）上。
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