CN107069418A - 一种多个二极管激光器列阵封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种多个二极管激光器列阵封装结构，N个二极管激光器及其非球面准直透镜一一嵌于金属热沉的N个安装孔内，柱面透镜位于各孔顶面，与一套二极管激光器和非球面准直透镜相对，构成一个激光发射光学单体。热沉的一个安装孔处于中心，其余安装孔呈中心对称分布。处于外周的各柱面透镜为径向或周向安置。二极管激光器经粘胶与孔壁固连，其管脚经安装孔底部与电源线连接。每个安装孔孔缘两侧的一对夹持片柱面透镜卡在热沉顶面一对夹持片之间粘结固定。本封装结构输出功率是N个二极管激光器功率之和，保证多个激光发射光学单体的组合具有小的发散角与平行度；冷却装置简单，激光传输效率高、体积小，且封装工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及激光光电子技术领域，具体为一种多个二极管激光器列阵封装结构。
背景技术
随着二极管激光器技术的发展，其已应用于多个领域，且对激光器光功率的要求越来越高。如，在无线激光通信领域，为了提高通信系统的稳定性以及传输距离，要求采用更高功率的激光。在刑侦技侦领域的物证搜索过程中，为了提高生物检材激发荧光的强度，也需要采用更高功率的激光进行激发。目前获得高功率激光的方法常见有如下3种：1、提高单个二极管激光器的输出功率；2、采用单个二极管激光器列阵；3、采用多个光纤耦合的二极管激光器合束。方法1要求二极管激光器件有新的发展、输出功率有根本性的提高，在短时间内难以实现，由研发费用来看性价比过低。方法2采用单个二极管激光器列阵对冷却装置要求高，传统的水冷结构复杂，体积大且笨重，同时成本高。方法3多个二极管激光器发出的激光经光纤耦合合束得到高功率的激光束，使用和维护方便，但相关设施的生产工艺的要求高，故成本高，而且传输效率低，整体体积大难以安装使用。
总之，目前尚未有获得高功率激光且成本低、便于实用的装置。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述的获得高功率激光的技术和方法的不足和缺点，提出了一种多个二极管激光器列阵的封装结构。本发明多个二极管激光器嵌于热沉内，输出功率是多个二极管激光器功率之和，冷却装置简单，不需要复杂的水冷冷却装置；无需多个光纤耦合合束，激光传输效率高、体积小，封装工艺简单。
本发明设计的一种多个二极管激光器列阵封装结构包括N个二极管激光器，N为3至20的整数。每个二极管激光器配有一个非球面准直透镜以及一个柱面透镜，组成一个激光发射光学单体。金属的热沉上有与二极管激光器相配合的均布的N个安装孔，N个孔的中心线相互平行，N个二极管激光器及其非球面准直透镜一一嵌入热沉的N个安装孔内，柱面透镜位于热沉上表面，每个柱面透镜与一套二极管激光器和非球面准直透镜相对。N个激光发射光学单体的光轴之间的平行度≤0.1mrad。
二极管激光器发射激光光束，激光光束两个方向的发散角为一致或者为不一致。激光光束经过非球面准直透镜进行准直，同时压缩两个方向的光束发散角；然后激光光束再经过柱面透镜进行准直，再次压缩其中一个方向的光束发散角。经过两个透镜的两次光束准直，激光发射光学单体发出的激光光束发散角低于毫弧度(mrad)量级。各激光发射光学单体之间的平行度≤0.1mrad。
所述金属的热沉为导热良好的银、或铜、或铝热沉。
N个激光发射光学单体均相同。
所述非球面准直透镜的顶部为非球面凸透镜，底部为直径相同的圆柱透镜，其直径大于二极管激光器外径，其光轴与二极管激光器的激光光束中心重合。
所述柱面透镜顶面为凸曲面，前后两个侧面相互平行，左右两个侧面相互平行，且前后左右四个侧面均垂直于底面，底面为长方形平面，置于热沉上表面、压在热沉安装孔上，长方形的长度为热沉安装孔的孔径的6/5至4/3，其宽度为热沉安装孔孔径的2/3至4/5，非球面准直透镜的光轴延长线垂直通过长方形中心。
热沉的一个安装孔处于中心位置，其余(N-1)个安装孔以中心的安装孔为中心呈中心对称分布。各安装孔的孔壁的间距及各安装孔与热沉外壁的间距大于2.5mm。
处于热沉外周安装孔上的各柱面透镜为径向安置，即其长方形底面的长中心线相交于中心安装孔中心；或者处于热沉外周安装孔上的各柱面透镜为周向安置，即处于热沉外周安装孔上的柱面透镜长方形底面的长中心线垂直于中心安装孔中心与同一柱面透镜底面长方形中心的连线。
当处于热沉外周安装孔上的各柱面透镜为径向安置时，中心安装孔上的柱面透镜长方形底面的长中心线与处于外周的某一个柱面透镜长方形底面的长中心线成一直线。
嵌入热沉安装孔的二极管激光器，通过粘胶与热沉安装孔内壁固定连接，即满足导热性要求，又满足安装稳固。二极管激光器的管脚经安装孔底部与电源线连接，二极管激光器底部与热沉底面距离为0mm～3mm。二极管激光器下方的空间用于连接电源线。
非球面准直透镜固定在热沉的安装孔内，非球面准直透镜底部与二极管激光器顶部的间距为2mm～4mm，非球面准直透镜顶部与热沉表面的间距为0mm～3mm。
热沉的各安装孔为台阶孔，下孔直径与二极管激光器直径相配合，上孔直径大于下孔直径、与非球面准直透镜相配合，上孔孔壁有螺纹，压圈环的高度小于上孔深度，环的内径小于非球面准直透镜的外径、大于或等于二极管激光器外径，压圈环的外壁有螺纹，与热沉安装孔上孔内壁的螺纹相配合，压圈环旋入热沉的安装孔上孔，拧紧压住非球面准直透镜，压圈环的顶低于热沉上表面。
热沉顶面、每个安装孔配一对相互平行的夹持片，夹持片为金属片，与热沉固定连接，垂直竖在安装孔孔缘两侧，一对夹持片的间距为柱面透镜的长，一个柱面透镜卡在一对夹持片之间，柱面透镜的两个相对的侧面与夹持片粘结固定。
与现有技术相比，本发明一种多个二极管激光器列阵封装结构的有益效果为：1、其输出功率是N个二极管激光器功率之和，提供满足需要的高功率激光；2、本封装结构保证多个激光发射光学单体的组合具有小的发散角以及平行度；3、与单个列阵二极管激光器相比，冷却装置简单，不需要复杂的水冷冷却装置；4、与多个光纤耦合二极管激光器相比，无需多个光纤耦合合束，激光传输效率高、体积小，并且封装工艺简单。
附图说明
图1是本多个二极管激光器列阵封装结构实施例俯视示意图；
图2是本多个二极管激光器列阵封装结构实施例A-A向纵剖示意图；
图3是本多个二极管激光器列阵封装结构实施例的一个激光发射光学单体纵剖示意图；
图4是本多个二极管激光器列阵封装结构实施例单个激光发射光学单体的光路示意图；
图5是本多个二极管激光器列阵封装结构实施例近场光斑示意图；
图6是本多个二极管激光器列阵封装结构实施例外周柱面透镜周向布置的俯视示意图。
图中标号为:
1、热沉，2、柱面透镜，3、夹持片，4、压圈环，5、二极管激光器，6、非球面准直透镜，7、管脚，8、光斑。
具体实施方式
为了使本发明技术方案更加清晰，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步的详细说明。
本实施例多个二极管激光器列阵封装结构如图1至3所示，铜制热沉1有6个安装孔，其中一个安装孔处于中心位置，其余5个安装孔以中心的安装孔为中心均匀分布于一个半径为25mm的圆周上。各安装孔的孔壁间距及各安装孔与热沉外壁的间距大于2.5mm。各个孔的中心线相互平行。
热沉1的各安装孔为台阶孔，下孔直径与二极管激光器5外径相配合，孔径4mm,上孔孔径5mm、与非球面准直透镜6相配合，上孔孔壁有螺纹。
6个二极管激光器5一一嵌入热沉1的6个安装孔的下孔内，通过粘胶与热沉1的安装孔内壁固定连接，二极管激光器5的管脚经安装孔底部与电源线连接，本例二极管激光器5底部与热沉1底面距离为0。
6个非球面准直透镜6一一嵌在各安装孔的上孔内、卡置于下孔的台阶上；本例的非球面准直透镜6顶部为非球面凸透镜，底部为直径相同的圆柱透镜，本例其直径5mm,大于二极管激光器5外径，其光轴与二极管激光器5的激光光束中心重合。压圈环4为金属环，环的高度小于上孔深度，环的内径小于非球面准直透镜6的外径，压圈环4的外壁有螺纹，与热沉1安装孔上孔内壁的螺纹相配合，压圈环4旋入热沉1的安装孔上孔，拧紧压住非球面准直透镜6，压圈环4的顶低于热沉1上表面。非球面准直透镜6固定后，非球面准直透镜6底部与二极管激光器5顶部的间距为2mm，非球面准直透镜6顶部与热沉1表面的间距为3mm。
6个柱面透镜2位于热沉上表面的各安装孔上，每个柱面透镜与一套二极管激光器和非球面准直透镜相对。一个二极管激光器、一个非球面准直透镜以及一个柱面透镜，组成一个激光发射光学单体。本例6个激光发射光学单体均相同，且6个激光发射光学单体光轴的平行度≤0.1mrad。
本例柱面透镜2顶面为凸曲面，前后两个侧面相互平行，左右两个侧面相互平行，且前后左右四个侧面均垂直于底面，底面为长方形平面置于热沉1上表面、压在热沉1安装孔上，长方形的长度为6mm，其宽度为4mm，非球面准直透镜6的光轴延长线垂直通过长方形底面中心。
本例处于热沉1外周安装孔上的5个柱面透镜2为径向安置，即其长方形底面的长中心线相交于中心安装孔中心；中心安装孔上的柱面透镜2长方形底面的长中心线与处于外周的一个柱面透镜2长方形底面的长中心线成一直线。
热沉1顶面、每个安装孔配一对相互平行的夹持片3，夹持片3为与热沉1材料相同的铜片，与热沉1固定连接，垂直竖在安装孔孔缘两侧，一对夹持片3间距为柱面透镜2的长，柱面透镜2卡在一对夹持片3之间，柱面透镜2的两个较小的相对的侧面与夹持片3粘结固定。
本例经过管脚7对二极管激光器5供电。本例单个激光发射光学单体的光路如图4所示，二极管激光器5发射激光光束，激光光束两个方向的发散角为一致或是不一致。激光光束经过非球面准直透镜6进行准直，同时压缩两个方向的光束发散角；然后激光光束再经过柱面镜2进行准直，再次压缩其中一个方向的光束发散角。经过两次光束准直，获得整体发散角低于毫弧度量级的激光光束，输出光束的光斑如图5所示。光斑8的排布与各个激光器发射光学单体在金属热沉1内的排布方式一致。通过阵列近场光斑8的大小以及光束在空间传播距离可以计算各光束的发散角；根据两个光斑8之间的距离可以得知这两个发射光学单体光轴的平行度。
如图6所示，本例处于热沉1外周安装孔上的各柱面透镜2也可为周向安置，即处于热沉1外周安装孔上的柱面透镜2长方形底面的长中心线垂直于中心安装孔中心与该柱面透镜2长方形底面中心的连线。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多个二极管激光器列阵封装结构，包括N个二极管激光器(5)，N为3至20的整数，每个二极管激光器(5)配有一个非球面准直透镜(6)以及一个柱面透镜(2)，组成一个激光发射光学单体；其特征在于：
金属的热沉(1)上有与二极管激光器(5)相配合的均布的N个安装孔，N个孔的中心线相互平行，N个二极管激光器(5)及其非球面准直透镜(6)一一嵌入热沉的N个安装孔内，柱面透镜(2)位于热沉(1)上表面，每个柱面透镜(2)与一套二极管激光器(5)和非球面准直透镜(6)相对；N个激光发射光学单体的光轴之间的平行度≤0.1mrad；
所述金属的热沉(1)为银、或铜、或铝热沉。
2.根据权利要求1所述的多个二极管激光器列阵封装结构，其特征在于：
所述N个激光发射光学单体均相同。
3.根据权利要求1所述的多个二极管激光器列阵封装结构，其特征在于：
所述非球面准直透镜(5)顶部为非球面凸透镜，底部为直径相同的圆柱透镜，其直径大于二极管激光器(5)的外径，其光轴与二极管激光器(5)的激光光束中心重合。
4.根据权利要求1所述的多个二极管激光器列阵封装结构，其特征在于:
所述柱面透镜(2)顶面为凸曲面，前后两个侧面相互平行，左右两个侧面相互平行，且前后左右四个侧面均垂直于底面，底面为长方形平面置于热沉(1)上表面、压在热沉(1)安装孔上，长方形的长度为热沉(1)安装孔的孔径的6/5至4/3，其宽度为热沉(1)安装孔孔径的2/3至4/5，非球面准直透镜(5)的光轴延长线垂直通过柱面透镜(2)长方形底面中心。
5.根据权利要求1所述的多个二极管激光器列阵封装结构，其特征在于:
所述热沉(1)的一个安装孔处于中心位置，其余(N-1)个安装孔以中心的安装孔为中心呈中心对称分布；各安装孔的孔壁的间距及各安装孔与热沉(1)外壁的间距大于2.5mm。
6.根据权利要求1所述的多个二极管激光器列阵封装结构，其特征在于:
处于热沉(1)外周安装孔上的各柱面透镜(2)为径向安置，即其长方形底面的长中心线相交于中心安装孔中心；或者处于热沉(1)外周安装孔上的各柱面透镜(2)为周向安置，即处于热沉(1)外周安装孔上的柱面透镜(2)长方形底面的长中心线垂直于中心安装孔中心与同一柱面透镜(2)底面长方形中心的连线。
7.根据权利要求6所述的多个二极管激光器列阵封装结构，其特征在于：
当处于热沉(1)外周安装孔上的各柱面透镜(2)为径向安置时，中心安装孔上的柱面透镜(2)的长方形底面的长中心线与处于外周的某一个柱面透镜(2)长方形底面的长中心线成一直线。
8.根据权利要求1所述的多个二极管激光器列阵封装结构，其特征在于:
嵌入热沉(1)安装孔的二极管激光器(5)，通过粘胶与热沉(1)安装孔内壁固定连接，二极管激光器(5)的管脚(7)经安装孔底部与电源线连接，二极管激光器(5)底部与热沉(1)底部距离为0mm～3mm；
非球面准直透镜(6)固定在热沉(1)的安装孔内，非球面准直透镜(6)底部与二极管激光器(5)顶部的间距为2mm～4mm，非球面准直透镜(6)顶部与热沉(1)表面的间距为0mm～3mm。
9.根据权利要求1所述的多个二极管激光器列阵封装结构，其特征在于:
所述热沉(1)的安装孔为台阶孔，下孔直径与二极管激光器(5)直径相配合，上孔直径大于下孔直径、与非球面准直透镜(6)相配合，上孔孔壁有螺纹；非球面准直透镜(6)嵌在上孔内、卡置于下孔的台阶上；压圈环(4)的高度小于上孔深度，环的内径小于非球面准直透镜(6)的外径、大于或等于二极管激光器(5)外径，压圈环(4)的外壁有螺纹，与热沉(1)安装孔上孔内壁的螺纹相配合，压圈环(4)旋入热沉(1)的安装孔上孔，拧紧压住非球面准直透镜(6)，压圈环(4)的顶低于热沉(1)上表面。
10.根据权利要求1所述的多个二极管激光器列阵封装结构，其特征在于:
所述热沉(1)顶面、每个安装孔配一对相互平行的夹持片(3)，夹持片(3)为金属片，与热沉(1)固定连接，垂直竖在安装孔孔缘两侧，一对夹持片(3)的间距为柱面透镜(2)的长，一个柱面透镜(2)卡在一对夹持片之间，柱面透镜(2)的两个相对的侧面与夹持片(3)粘结固定。
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