CN108512030A - 激光发射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光发射装置，包括驱动电路、AlN基板和激光管芯，其中：所述驱动电路的元器件集成于所述AlN基板上；所述激光管芯也贴附于所述AlN基板上；所述驱动电路与所述激光管芯电性连接。本装置将驱动电路元器件和激光器阵列同时集成在一起，减少了驱动线路、激光器通路的寄生阻抗，减少工艺步骤，能提供温控条件的大电流窄脉冲激光发射，并具有光学准直功能。

Description

激光发射装置
技术领域
本发明涉及激光应用领域，进一步涉及一种激光发射装置。
背景技术
半导体激光器具有方向性好、体积小、质量轻、使用寿命长、抗干扰能力强等优点，应用于众多领域中。脉冲激光是激光器工作在脉冲状态下的一种应用，脉冲激光发射组件的小型化、高峰值光功率和输出波长稳定性是进行优化的重要方向。
在原有技术条件下，激光脉冲的功率与波形受散热条件和驱动电脉冲的影响。半导体激光器输出功率提高所带来的热效应，会导致管芯出现温度升高、电光转换效率降低等问题。在大电流窄脉冲条件下，线路寄生参数、激光器管芯间连接结构以及其与驱动电路的连接方式等都会影响脉冲激光的输出。激光器输出波长与有源区温度关系密切，稳定激光器波长依赖于半导体制冷器调节温度，功耗较大。
目前的脉冲激光发射装置或驱动已封装的激光器，或者只将驱动电路制作在PCB板上，管芯位于热沉上。采用管芯和驱动电路相分离的方式，不利于分布参数的减小。这些都制约了发射组件电性能、散热性能的提升，并且增加了工艺复杂度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有脉冲激光发射装置体积较大、功耗高、使用制作较为不便的不足，本发明的目的在于提供一种激光发射装置，以解决以上所述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供一种激光发射装置，包括驱动电路、AlN基板和激光管芯，其中：所述驱动电路的元器件集成于所述AlN基板上；所述激光管芯也贴附于所述AlN基板上；所述驱动电路与所述激光管芯电性连接。
进一步的，所述激光管芯通过键合方式连接，贴附于所述AlN基板上。
进一步的，所述驱动电路中接有滤波保护电路。
进一步的，所述AlN基板内部布置有弯曲分布的钨丝。
进一步的，激光发射装置还包括PCB基板和温控电路，温控电路的元器件集成于所述PCB基板上。
进一步的，激光发射装置还包括过渡热沉，所述PCB基板和AlN基板均贴附于所述过渡热沉上。
进一步的，激光发射装置还包括铂热电阻和制冷器，所述铂热电阻焊接在所述AlN基板上，所述制冷器位于过渡热沉下方。
进一步的，激光发射装置还包括光纤圆柱微透镜，其位于激光器阵列出光面侧，对激光进行准直，粘贴在过渡热沉上。
进一步的，所述驱动电路还包括方波发生电路；微分阻容元件；一个双通道MOSFET驱动器；一个功率MOSFET和储能电容串联连接组成闭合回路。
进一步的，所述温控电路包括一个单片机及外围电路；一个AD转换器，其数字输入输出端与单片机连接；一个精密电阻和一个铂热电阻串联，公共端接AD转换器模拟输入端；一个双通道MOSFET驱动器，其输入接AD转换器输出端；两个功率MOSFET，其栅极分别接MOSFET驱动器的两个输出端。
(三)有益效果
1、本发明将驱动电路元器件和激光器阵列同时集成在一起，减少了驱动线路、激光器通路的寄生阻抗，减少工艺步骤，降低了线路上的功率损耗和脉冲高频分量的损失，从而提高了电光转换效率、峰值光功率和波形质量。
2、本发明的滤波保护电路设计大大减小了大电流窄脉冲产生的电磁辐射，增加了装置的可靠性。
3、本发明采用AlN基板(例如多层AlN基板)同时作为电路载体、热沉和热源，AlN基板有较高的导热系数，并且靠近管芯，既可以迅速将管芯产生的热量导出，又可以迅速加热管芯。
4、本发明采用AlN基板和半导体制冷器分别加热、制冷的切换模式进行温度调节稳定输出波长，有效提高温控效率，降低功率损耗。
5、本发明具有光学准直功能，可将激光器快轴发散角压缩至1°以内。
附图说明
图1是本发明实施例的激光发射装置剖面示意图。
图2是本发明实施例的激光发射装置俯视图。
图3是本发明实施例的激光发射装置驱动电路原理图。
图4是本发明实施例的激光发射装置温控电路原理图
图5是本发明实施例的激光发射装置AlN基板中间层钨丝蛇形走线图。
图6是本发明中实施例的激光发射装置经测试的输出光脉冲信号。
具体实施方式
根据本发明的基本构思，将激光器管芯、激光驱动集成在有较高热导系数的氮化铝基板上，实现了大电流窄脉冲激光发射装置，装置的体积大大减小。
在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
本发明中，“设置于…上”、“贴附于…上”、“集成于…上”等用语包括与单一或多个元件间的接触与非接触。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例的激光发射装置剖面示意图，能够发射大功率窄脉冲激光，如图1所示，所述激光发射装置中，
制冷器57通过铜片56固定在金属管壳51底部，制冷器57通过引线与温控电路连接，所述制冷器例如可以为半导体制冷器；
过渡热沉58通过铜片55与制冷器57连接，该过渡热沉58的材料例如可以是铜材料；
PCB基板和AlN基板21采用例如环氧树脂粘贴于过渡热沉58上，该AlN基板可以是AlN多层基板；
光纤微圆柱透镜14可采用紫外胶固定于过渡热沉58上，紧贴激光器阵列13发光面，用于实现激光器的光学准直。准直后的激光可通过光学窗口54输出；
可以将驱动电路52、激光器阵列13集成在AlN基板上，激光器阵列13可以通过例如键合金丝53的方式(一种贴附方式)与AlN基板连接，用于实现大功率窄脉冲激光发射。
铂热电阻邻近激光器阵列13粘贴在AlN基板上，可以采用铂热电阻反馈温度信息，当检测的温度为高温，利用制冷器制冷，检测的温度为低温利用AlN加热的切换模式进行温度调节。上述低温与高温为与设定的温度比较的结果，可根据实际工艺条件进行具体设定，本发明实施例并不以此为限。
其中，管脚59可通过金丝、导电银胶与基板上焊盘相连。
另外，所述AlN多层基板内部布还设有蛇形走线用于加热的钨丝，以能够快速给激光器加热。
图2是本发明中实施例的激光发射装置俯视图，AlN多层基板21和PCB基板4、光纤圆柱透镜14均粘贴于过渡热沉58上；焊盘1位于基板上；
基板上的各元件包括：功率MOSFET3、双通道MOSFET栅极驱动器5、半导体制冷器连接点6、单片机7、AD芯片8、精密电阻9，均可以集成于PCB基板4上；
加热钨丝连接点2、铂热电阻10、LRC滤波元件11、储能电容12、大功率激光器阵列13、功率MOSFET15、TVS瞬态抑制二极管16、栅极电阻17、双通道MOSFET栅极驱动器18、阻容微分元件19、7555芯片20位于AlN多层基板21上；
AD芯片8的数字输入输出端与单片机7连接；精密电阻9和铂热电阻10串联连接，公共端接AD芯片8模拟输入端；双通道MOSFET驱动器5输入端接AD芯片8，输出端接功率MOSFET3栅极；半导体制冷器连接点6、加热钨丝连接点2分别与功率MOSFET3串联连接；
7555芯片20输出接双通道MOSFET栅极驱动器18一输入端，输出端接阻容微分元件19；阻容微分元件公共端接MOSFET栅极驱动器18另一输入端，功率MOSFET15栅极接MOSFET驱动器18的输出端；功率MOSFET15、储能电容12、大功率激光器阵列13串联连接组成闭合回路。
图3是本发明实施例的激光发射装置驱动电路原理图。驱动电路主要由方波发生电路30，脉冲整形驱动电路31，微分电路37，功率MOSFET35，滤波保护电路32、36，储能电容34，大功率激光器阵列33组成。
方波信号产生电路有7555及其阻容元件，产生固定频率的方波信号，将方波信号送入MOSFET驱动器增大驱动能力，通过CR微分电路后得到窄脉冲，MOSFET驱动器具有施密特触发器的整形效果，窄脉冲信号再次通过MOSFET驱动器整形后，得到上升、下降沿较陡的窄脉冲信号。以较大的电流驱动功率MOSFET，通过MOSFET快速开关控制激光器开启关断，从而产生窄脉冲激光信号。储能电容为开启时的激光器提供瞬时大电流。滤波保护电路限制线路最大电流和储能电容的充电速度，避免充电速度过快形成的辐射干扰和负载阻抗突然变化造成的电源电压陡降。栅极电阻抑制栅极震荡，TVS管防止栅极电压过高，为栅极电荷泄放提供放电回路，保护功率MOSFET、激光器不易受到损坏。驱动脉宽可以由微分电路RC时间常数调节，脉冲频率由方波信号产生电路充放电阻容值调节。
图4实施例的激光发射装置温控电路原理图。温控电路主要由精密电阻、铂热电阻分压部分41，AD转换部分42，单片机及外围电路控制部分43，双通道栅极驱动部分44，TEC控制通路45，AlN基板钨丝控制通路46组成。
由精密电阻、铂热电阻采集激光器温度信号，通过AD转换送入单片机，由单片机根据温度信号输出脉冲脉宽调制信号，通过驱动部分驱动功率MOSFET开关，控制TEC通路工作进行制冷或AlN基板钨丝通路加热。
图5是本发明实施例中AlN多层基板中钨丝的布线方式，本发明实施例中中通过蛇形绕线的方式(弯曲分布的一种)可以最大程度的利用基板内部的空间，最大限度的提高加热效率。
图6是本发明中测试的输出光脉冲信号，可以看出其脉冲宽度可达到30ns。
本发明实施例所提出的大功率窄脉冲激光发射装置采用小型化设计，用金属化工艺制作AlN表面金属化连接图形，将驱动电路元器件、铂热电阻和大功率激光器管芯阵列集成在同一AlN基板上。大功率激光器阵列的P极粘贴在基板的金属焊盘上，N极通过多根金丝与驱动电路连接。驱动电路实现窄脉冲激光发射。组件的温度调节采用AlN多层基板内部钨丝加热，半导体制冷器制冷的切换模式，通过温控电路控制，温控电路元器件在PCB基板上。用光纤微圆柱透镜实现大功率激光器阵列光学准直，压缩快轴方向发散角。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光发射装置，其特征在于包括驱动电路、AlN基板和激光管芯，其中：
所述驱动电路的元器件集成于所述AlN基板上；
所述激光管芯也贴附于所述AlN基板上；
所述驱动电路与所述激光管芯电性连接。
2.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述激光管芯通过键合方式连接，贴附于所述AlN基板上。
3.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述驱动电路中接有滤波保护电路。
4.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述AlN基板内部布置有弯曲分布的钨丝。
5.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，还包括PCB基板和温控电路，所述温控电路的元器件集成于所述PCB基板上。
6.根据权利要求5所述的激光发射装置，其特征在于，还包括过渡热沉，所述PCB基板和AlN基板均贴附于所述过渡热沉上。
7.根据权利要求6所述的激光发射装置，其特征在于，还包括铂热电阻和制冷器，所述铂热电阻焊接在所述AlN基板上，所述制冷器位于过渡热沉下方。
8.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，还包括光纤圆柱微透镜，其位于激光器阵列出光面侧，对激光进行准直，粘贴在过渡热沉上。
9.根据权利1所述的激光发射装置，其特征在于，所述驱动电路还包括方波发生电路；微分阻容元件；一个双通道MOSFET驱动器；一个功率MOSFET和储能电容串联连接组成闭合回路。
10.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述温控电路包括单片机及外围电路；以及
AD转换器，其数字输入输出端与单片机连接；
精密电阻和一个铂热电阻串联，公共端接AD转换器模拟输入端；
双通道MOSFET驱动器，其输入接AD转换器输出端；
两个功率MOSFET，其栅极分别接MOSFET驱动器的两个输出端。
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