CN107492785A - 一种实现圆形光斑的半导体激光器光源模块以及侧面泵浦装置 - Google Patents

一种实现圆形光斑的半导体激光器光源模块以及侧面泵浦装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现圆形光斑的半导体激光器光源模块以及侧面泵浦装置，该半导体激光器光源模块的多个半导体激光器整体呈环形排布，出光方向平行于环形结构的中心轴；相邻的半导体激光器之间填充有扇形夹块，使得多个半导体激光器以及扇形夹块构成的整体端面为圆面；在所述多个半导体激光器以及扇形夹块构成的整体的外周设置有锁紧装置，用于将全部半导体激光器向中心收紧固定。本发明通过扇形夹块将多个半导体激光器组装，形成出光面均衡分布的整体圆面，直接输出圆形光斑，具有较小的体积，而且本方案的环形结构光斑均匀性相对较好。

Description

一种实现圆形光斑的半导体激光器光源模块以及侧面泵浦 装置
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器封装结构。
背景技术
随着半导体激光器越来越广泛的应用领域，产生了众多圆形光斑的应用领域，而传统的半导体激光器叠阵为多个BAR条沿其快轴方向进行垂直叠加而成，所发出的激光光斑为方形光斑，方向光斑与圆形光斑相比，方光斑一般使用柱面镜，方向性要求高，装调要求高便利性差，而圆形光斑有利于球面镜整形和快速切换镜头。目前并没有成熟的封装方式可以直接得到高功率密度的圆形光斑，一般采用对叠阵产生的方形光斑进行整形后得到圆形光斑，包括以下几种方法：
1.将方形光斑进行切割&重排(透射式棱镜切割重排法或阶梯棱镜反射切割重排法)，外加快慢整形透镜，让光源变为方形并快慢轴发散角一致；然后加圆形光阑孔，对边角少量能量进行拦光，输出圆形光斑。
2.将方形光斑进行整形(快慢轴角度压缩)，耦合进圆柱形光学元件进行全反射输出(光纤或圆柱形，圆锥型光导管)光斑。
上述方形变为圆形都需要进行光学整形，激光经过光学系统，会能量损失，并且光学系统占用了较长的系统体积，导致成本增加、体积较大。
发明内容
本发明提出一种实现圆形光斑的半导体激光器光源模块，无需复杂的整形系统，可直接输出圆形光斑，具有较小的体积，且光斑均匀性较好。
本发明的解决方案如下：
一种实现圆形光斑的半导体激光器光源模块，包括多个半导体激光器，所述半导体激光器包括片状制冷器以及键合其上的激光芯片，所述多个半导体激光器整体呈环形排布，出光方向平行于环形结构的中心轴；相邻的半导体激光器之间填充有扇形夹块，使得多个半导体激光器以及扇形夹块构成的整体端面为圆面；在所述多个半导体激光器以及扇形夹块构成的整体的外周设置有锁紧装置，用于将全部半导体激光器向中心收紧固定。
在以上方案的基础上，本发明还进一步作了如下重要优化：
所有扇形夹块中，至少一块为绝缘夹块，其他均为导电夹块，各半导体激光器依次通过导电夹块串联导电，绝缘夹块两侧分别设正极片和负极片，并由此将电极引出；或者，所有扇形夹块均为绝缘夹块，分别单独设置相应的正极片和负极片并从底部引出电极，底部再进行串联连接。当然，电连接方式不限与此，也可以采用常规的连线结构。
所述锁紧装置的一种具体结构和配置如下：
锁紧装置位于所述多个半导体激光器以及扇形夹块构成的整体的端部；所述扇形夹块外侧面均具有45°—90°的斜度，使得扇形夹块的径向尺寸自其端面向中部由宽及窄渐变；锁紧装置包括与环形结构同轴设置的截面为圆形的基座以及外环，所述基座用于对扇形夹块在轴向上定位，外环内壁具有一段内螺纹与基座的外螺纹配合连接，通过旋转外环，能够使外环内壁局部或整体接触并逐渐压紧扇形夹块外侧面从而将全部半导体激光器以及扇形夹块向环形结构中心收紧。
进一步的，外环内壁靠近所述端部的区域为与扇形夹块外侧面相适配的斜面；或者外环内壁局部有凸起作为压紧扇形夹块的部位。
进一步的，所述截面为圆形的基座具体为具有封底的圆筒形基座，圆筒形基座内设置有与扇形夹块匹配的插接部件，实现对扇形夹块在轴向上定位以及辅助固定。另外，基座也可以是仅留有接线孔的短圆柱(实心)，短圆柱基座不必与扇形夹块接触，仍然能够起到间接的轴向定位作用。
所述锁紧装置还可以采用以下更为简化的另一种结构和配置：
锁紧装置位于所述多个半导体激光器以及扇形夹块构成的整体的端部；所述扇形夹块外侧面均具有45°—90°的斜度，使得扇形夹块的径向尺寸自其端面向中部由宽及窄渐变；锁紧装置为一外环，外环内壁具有与扇形夹块外侧面相适配的斜面；所述扇形夹块外侧面具有一段外螺纹，外环内壁还具有与扇形夹块外螺纹相适配的内螺纹，通过外环对接扇形夹块并继续旋转，能够使外环内壁逐渐压紧扇形夹块外侧面从而将全部半导体激光器以及扇形夹块向环形结构中心收紧。
所述半导体激光器采用液体制冷型bar条激光器的散热结构时，所有扇形夹块上均设置有进水通道和出水通道，与液体制冷型bar条激光器(液体制冷器)的水道连通。
本发明还提出一种应用上述半导体激光器光源模块的侧面泵浦装置：
对于该侧面泵浦装置，前述环形结构中心形成通孔，通孔处放置有晶体棒，每一个半导体激光器的出光方向上单独设置有尺寸相适配的全反射组件，发出的光经过全反射组件发生光路偏折后进入晶体棒。
进一步的，所述透光的光学器件整体为平板型，反射面为平面或者阶梯型，入射面设置在半导体激光器的出光位置，出射面设置在晶体棒表面，平板两侧面镀有反射膜以防止侧面漏光。另外，透光的光学器件也可改为反射镜，其反射面为平面、凸面或者凹面，反射镜与半导体激光器出光端之间还设置有快轴准直镜。
进一步的，在晶体棒表面外周固定设置有液冷通道，液冷通道至少覆盖对应于全反射组件的区域，通道壁为透明材质。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、传统的半导体激光器叠阵的光斑为方形光斑，光斑方形变为圆形需要进行光学整形，导致成本增加、体积较大。本方案通过扇形夹块将多个半导体激光器组装，形成出光面均衡分布的整体圆面，直接输出圆形光斑，具有较小的体积。而且，由于半导体激光器的快慢轴发散角不一致，传统叠阵结构的光斑在不增加光源整形装置前均匀性差，本方案的环形结构光斑均匀性相对较好，可以直接在医疗等领域进行应用，尤其是激光脱毛领域。
2、本发明不仅可以用于半导体激光器侧面泵浦，也可以用于激光照明、激光医疗等需要圆形光斑的领域。
3、应用于侧面泵浦，径向体积小，光源一般可设置在晶体棒的两端，易于拆装。
4、应用于侧面泵浦，激光通过全反射组件射入晶体棒，只有少量透过晶体棒的杂散光直接出射，半导体激光器受到的杂散光影响小，避免了半导体激光器由于受光而引起的损伤。
附图说明
图1为本发明的基本结构示意图。
图2为实施例一的外形结构示意图。
图3为实施例一的剖视示意图。
图4为实施例一中基座、外环以及扇形夹块配合连接的示意图。
图5为实施例二的外形结构示意图。
图6为实施例二的局部剖视图。
图7为实施例二中外环与扇形夹块配合连接的示意图。
图8为实施例一应用于侧面泵浦系统的示意图。
图9为图8所示侧面泵浦系统中光学部分的示意图。
图10为全反射组件(阶梯型反射面)的光路示意图。
图11为图9所示方案的一种优化结构(杂散光二次利用、晶体棒表面设置通水通道)。
图12为图11的横截面示意图。
附图标号说明：
1-半导体激光器；101、102-液体制冷型bar条激光器的水道；2-扇形夹块；201-扇形夹块上的进水通道，202-扇形夹块上的出水通道；3-锁紧装置；301-基座，302-外环；4-(整体封装结构的)进水口；5-(整体封装结构的)出水口；6-晶体棒；7-全反射组件；701-反射面；702-入射面；703-出射面；8-(全反射组件与晶体棒表面之间的)液冷通道；9-用于杂散光二次利用的光学组件。
具体实施方式
以下以半导体激光器侧面泵浦方面的应用，结合附图对本发明做详细说明。
如图1所示，该半导体激光器光源模块包括多个半导体激光器1，半导体激光器1包括片状制冷器以及键合其上的激光芯片，这些半导体激光器整体呈环形排布，出光方向平行于环形结构的中心轴；相邻的半导体激光器之间填充有扇形夹块2，使得所述多个半导体激光器1以及扇形夹块2构成的整体端面为圆面；在多个半导体激光器以及扇形夹块构成的整体的外周设置有锁紧装置3，用于将全部半导体激光器向中心收紧固定。
所有扇形夹块中，至少一块为绝缘夹块，其他均为导电夹块，各半导体激光器依次通过导电夹块串联导电，绝缘夹块两侧分别设正极片和负极片，并由此将电极引出；或者，所有扇形夹块均为绝缘夹块，分别单独设置相应的正极片和负极片并从底部引出电极，底部再进行串联连接。当然，电连接方式不限与此，也可以采用常规的连线结构。
图3中所示的锁紧装置3主要由基座301和外环302组成，具体是：锁紧装置位于所述多个半导体激光器以及扇形夹块构成的整体的端部；所述扇形夹块外侧面均具有45°—90°的斜度，使得扇形夹块的径向尺寸自其端面向中部由宽及窄渐变；锁紧装置包括与环形结构同轴设置的截面为圆形的基座以及外环，所述基座用于对扇形夹块在轴向上定位，外环内壁具有一段内螺纹与基座的外螺纹配合连接，通过旋转外环，能够使外环内壁局部或整体接触(图4所示结构明确体现局部接触)并逐渐压紧扇形夹块外侧面从而将全部半导体激光器以及扇形夹块向环形结构中心收紧。
图4中所示的外环内壁局部有凸起作为压紧扇形夹块的部位；另外，也可以采用整体接触的方式，即外环内壁靠近所述端部的区域为与扇形夹块外侧面相适配的斜面。
为了更好地对扇形夹块在轴向上定位以及辅助固定，还可以在圆筒形基座内设置与扇形夹块匹配的插接部件。另外，基座也可以是仅留有接线孔的短圆柱(实心)，短圆柱基座不必与扇形夹块接触，仍然能够起到间接的轴向定位作用。
对于锁紧装置，还有一种更为简化的结构和配置，如图5-图7所示：锁紧装置位于所述多个半导体激光器以及扇形夹块构成的整体的端部；所述扇形夹块外侧面均具有45°—90°的斜度，使得扇形夹块的径向尺寸自其端面向中部由宽及窄渐变；锁紧装置为一外环，外环内壁具有与扇形夹块外侧面相适配的斜面；所述扇形夹块外侧面具有一段外螺纹，外环内壁还具有与扇形夹块外螺纹相适配的内螺纹，通过外环对接扇形夹块并继续旋转，能够使外环内壁逐渐压紧扇形夹块外侧面从而将全部半导体激光器以及扇形夹块向环形结构中心收紧。
如图3所示，半导体激光器可采用液体制冷型bar条激光器，所有扇形夹块上均设置有进水通道和出水通道，与液体制冷型bar条激光器(液体制冷器)的水道连通，相接处使用O型圈对水道进行密封，在压紧状态下，液体制冷器与扇形夹块间的O型圈受压缩达到密封要求。
如图8所示，利用上述半导体激光器光源模块组成的侧面泵浦装置，是在前述环形结构中心形成的通孔处放置晶体棒，每一个半导体激光器的出光方向上单独设置有尺寸相适配的全反射组件，发出的光经过全反射组件发生光路偏折后进入晶体棒。晶体棒为将半导体激光器提供的激光通过光学谐振腔转化为在空间和时间上相干的具有高度平行性和单色性激光的晶体材料。
半导体激光器可以设置在晶体棒的一端，也可以以对称形式设置在晶体棒的两端，两端的半导体激光器相对出光，这种结构采用了两倍的光源功率，可实现泵浦模块的功率扩展。
图8、图9所示结构，多个半导体激光器均匀分布于晶体棒的两端，出光方向平行于晶体棒，半导体激光器均沿其快轴方向围绕晶体棒排列，半导体激光器在晶体棒外周竖立的方向为慢轴方向(按照图10所示，快轴方向即垂直纸面的方向，慢轴方向如图中左侧的箭头方向)；与半导体激光器一一对应放置全反射组件，全反射组件优选透光的平板型光学器件，具体为具有至少一个反射面和两个透射面(激光的入射和出射面)的光学元件，入射面设置在半导体激光器的出光位置，出射面设置在晶体棒上。平板两侧面镀有反射膜以防止侧面漏光。
反射面可以为平面，也可以为图中所示的阶梯型，阶梯型反射面进一步优化了激光的均匀性，激光在全反射组件中的光路图如图10所示。
为了缩小侧面泵浦装置的径向体积，前述两端的半导体激光器相错，使得对应的全反射组件插空排列，如图8所示。
如图11所示，在全反射组件之间增加用于杂散光二次利用的光学组件，光路原理如图12所示。光学组件位于全反射组件的反射光出射的正对方向，包括设置于晶体棒上的透射面和远离晶体棒的反射面，使得未被晶体棒吸收的杂散光在光学组件内被反射回晶体棒完成二次利用。
为了优化晶体棒的散热，如图11所示，在全反射组件和晶体棒之间增加通水通道，通道壁为透明材质，全反射组件的透射面紧贴通水通道的通道壁。这样，通道壁与全反射组件可以为一体成型结构，也便于固定全反射组件。

Claims (10)

1.一种实现圆形光斑的半导体激光器光源模块，包括多个半导体激光器，所述半导体激光器包括片状制冷器以及键合其上的激光芯片，其特征在于：所述多个半导体激光器整体呈环形排布，出光方向平行于环形结构的中心轴；相邻的半导体激光器之间填充有扇形夹块，使得多个半导体激光器以及扇形夹块构成的整体端面为圆面；在所述多个半导体激光器以及扇形夹块构成的整体的外周设置有锁紧装置，用于将全部半导体激光器向中心收紧固定。
2.根据权利要求1所述的实现圆形光斑的半导体激光器光源模块，其特征在于：所有扇形夹块中，至少一块为绝缘夹块，其他均为导电夹块，各半导体激光器依次通过导电夹块串联导电，绝缘夹块两侧分别设正极片和负极片，并由此将电极引出；或者，所有扇形夹块均为绝缘夹块，分别单独设置相应的正极片和负极片并从底部引出电极，底部再进行串联连接。
3.根据权利要求1所述的实现圆形光斑的半导体激光器光源模块，其特征在于：
所述锁紧装置位于所述多个半导体激光器以及扇形夹块构成的整体的端部；所述扇形夹块外侧面均具有45°—90°的斜度，使得扇形夹块的径向尺寸自其端面向中部由宽及窄渐变；
所述锁紧装置包括与环形结构同轴设置的截面为圆形的基座以及外环，所述基座用于对扇形夹块在轴向上定位，外环内壁具有一段内螺纹与基座的外螺纹配合连接，通过旋转外环，能够使外环内壁局部或整体接触并逐渐压紧扇形夹块外侧面从而将全部半导体激光器以及扇形夹块向环形结构中心收紧。
4.根据权利要求3所述的实现圆形光斑的半导体激光器光源模块，其特征在于：外环内壁靠近所述端部的区域为与扇形夹块外侧面相适配的斜面；或者外环内壁局部有凸起作为压紧扇形夹块的部位。
5.根据权利要求3所述的实现圆形光斑的半导体激光器光源模块，其特征在于：
所述截面为圆形的基座具体为具有封底的圆筒形基座，圆筒形基座内设置有与扇形夹块匹配的插接部件，实现对扇形夹块在轴向上定位以及辅助固定。
6.根据权利要求1所述的实现圆形光斑的半导体激光器光源模块，其特征在于：
所述锁紧装置位于所述多个半导体激光器以及扇形夹块构成的整体的端部；所述扇形夹块外侧面均具有45°—90°的斜度，使得扇形夹块的径向尺寸自其端面向中部由宽及窄渐变；
所述锁紧装置为一外环，外环内壁具有与扇形夹块外侧面相适配的斜面；所述扇形夹块外侧面具有一段外螺纹，外环内壁还具有与扇形夹块外螺纹相适配的内螺纹，通过外环对接扇形夹块并继续旋转，能够使外环内壁逐渐压紧扇形夹块外侧面从而将全部半导体激光器以及扇形夹块向环形结构中心收紧。
7.根据权利要求1至6任一所述的实现圆形光斑的半导体激光器光源模块，其特征在于：所述半导体激光器为液体制冷型bar条激光器，所有扇形夹块上均设置有进水通道和出水通道，与液体制冷型bar条激光器的水道连通。
8.一种应用权利要求1所述实现圆形光斑的半导体激光器光源模块的侧面泵浦装置，其特征在于：所述环形结构中心形成通孔，通孔处放置有晶体棒，每一个半导体激光器的出光方向上单独设置有尺寸相适配的全反射组件，发出的光经过全反射组件发生光路偏折后进入晶体棒。
9.根据权利要求8所述的侧面泵浦装置，其特征在于：所述透光的光学器件整体为平板型，反射面为平面或者阶梯型，入射面设置在半导体激光器的出光位置，出射面设置在晶体棒表面，平板两侧面镀有反射膜以防止侧面漏光；或者，透光的光学器件替换为反射镜，其反射面为平面、凸面或者凹面，反射镜与半导体激光器出光端之间还设置有快轴准直镜。
10.根据权利要求8所述的侧面泵浦装置，其特征在于：在晶体棒表面外周固定设置有液冷通道，液冷通道至少覆盖对应于全反射组件的区域，通道壁为透明材质。
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