CN109038208A - 量子级联激光器的封装结构 - Google Patents

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朱地
徐安壮
张焕旭
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Abstract

本发明涉及量子级联激光器的封装结构设计方案，包括封装量子级联激光器的封装外壳、固定在外壳前端的三维准直透镜调整架、固定在背端的散热片、底端的外壳支撑固定架和装配在激光器封装外壳内部的激光器芯片，还包括固定在激光器芯片前的准直透镜、以及固定在激光器芯片下的热沉和控制温度的热敏电阻，并包含固定在热沉之下的TEC和整体封装结构内的所有管脚引线。上述所有结构集成组成了整体的激光器封装结构。该封装结构设计可以提高量子级联激光器的准直耦合效率和更换激光芯片的灵活性，还降低了量子级联激光器的封装成本和装配难度，减小了激光器的封装体积。满足实际工业生产下的快速封装及大规模生产加工应用。

Description

量子级联激光器的封装结构
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及量子级联激光器封装结构设计。
背景技术
量子级联激光器由于具有出射激光波长在中远红外，输出波长单频性好，激光器体积小，使用寿命长，稳定性高，模式单一等特点。被广泛应用在传感检测，污染监测，医疗，成像和通信领域。特别是在中红外物质检测领域，由于物质在中红外波段特有的指纹吸收峰，可以高灵敏度检测出微量物质。由于中红外激光器的广泛应用，中红外激光器应用市场增长迅速。
特别地在工业油气开采、矿产开发领域由于随着钻探开发释放出天然气，其中包含大量的甲烷、乙烷、丙烷等各种烷烃。实际工程中要求快速地测量气体当中不同组分的具体含量从而推测钻探开发的地下地质条件。实际测量中广泛采用光学吸收方法对各种组分进行测量，但是传统使用的近红外激光测量技术有对被检物质浓度纯度要求都很高，经常出现检测不准确的问题。改用中红外量子级联激光器可以大幅度降低浓度检测极限和纯度要求，提高测量精度。
在易燃易爆化学危险气体检测，如一氧化碳和甲烷气体泄露会造成爆炸等重大安全事故。所以用激光器进行实时微量气体浓度检测的需求十分迫切，而中红外量子级联激光器可以实时高灵敏度检测泄露。中红外激光器的需求日益增大，市场发展很快。
现有的量子级联激光器普遍采用蝶形封装方案，这种封装方案将温度测量和制冷片封装到在一个空间狭小的机壳内。固定后，准直透镜固定在蝶形封装窗口，封装工艺要求高。而且蝶形封装还要将其固定在一个较大的散热底座上，整体激光器体积大，此外光学耦合后无法进行激光器芯片更换，生产环境要求苛刻，效率低下，生产周期长，成本高，不适用量子级联激光器的快速量产。
特别对一些特殊定制波段的量子级联激光器对其输出波长对应输出激光器有一定温度输出要求。要经过耦合测试后，常用的蝶形封装几乎不能对没给器件更换准直透镜，对准直透镜造成浪费，无法回收。
发明内容
本发明针对现有的技术缺陷，提供了一种量子级联激光器封装解决方案。可以大幅度地降低量子级联激光器的封装成本和装配难度。减小了激光器的封装体积，同时保证激光器的良好散热。并且可以更换激光器管芯，快速进行激光的准直耦合输出。解决克服发射激光光斑发射角度过大的问题。
本发明解决该问题所采用的具体技术方案是：提供了一种量子级联激光器的封装结构，包括激光器的外封装外壳及固定在外壳外表面的三维准直透镜调整架、散热片和支撑固定架以及设置在封装外壳内的激光器芯片、准直透镜、热沉、热敏电阻、TEC温度控制和SMA电缆接口及其在内引线所构成的一个整体集成为一个激光器的封装结构。
所述量子级联激光器封装外壳为立方体。在外壳正表面具有螺纹孔和固定在前表面的三维准直透镜调整架的螺纹相匹配。在外壳背面和底面有通孔和固定在外壳后表面和底面的制冷散热片和支撑固定架相匹配。外壳上表面有气密激光器温度控制引线管脚。
固定在前表面的三维准直透镜调节支架和激光器外壳相匹配可以实现对不同激光器灵活更换准直镜头位置，动态实现对准直透镜的调节，起到快速封装激光器管芯的作用。
三维准直透镜调整架的面内调整范围为4毫米，垂直调整范围为1厘米，准直透镜的数值口径为0.4。
所述量子级联激光器封装内部结构，热沉通过螺纹固定在激光外壳内底面，在热沉上安装有TEC和热敏电阻，TEC通过热敏电阻检测到激光器的温度，对激光器进行温度调控。激光芯片通过螺丝固定在热沉上表面正对三维准直透镜调整架的中心。
固定在内部的准直透镜透镜为非球面透镜，通过螺纹固定于三维准直透镜调整架的垂直轴调整轴上。激光器芯片的出光中心在准直透镜的中心轴上。
所述的量子级联激光器封装结构内激光器外接引线为TEC温度控制器和热敏电阻和控制电路板连接，激光芯片通过SMA接口和激光驱动器连接为激光器供电。
整个激光器外壳与底表面支撑固定架由绝缘材料构成。
所述的量子级联激光封装要求，量子级联激光器的TEC温度控制器控制激光器的温度工作范围为10℃-80℃。温度使用范围广，可以广泛调节激光器的工作温度范围，实现特定波长的输出。
附图说明
此处说明的附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本专利申请的一部分，而不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明实施例所提供的量子级联激光器封装的外部结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的量子级联激光器封装的内部结构示意图；
附图标记：
1-激光器封装外壳，2-三维准直透镜调整架，3-激光散热片，4-底部支撑固定架，5-激光外壳温度控制引线接口
21-激光器芯片，22-准直透镜，23-散热热沉，24-热敏电阻25-TEC(TemperatureElectric Cooler)温度控制器，26-激光器驱动SMA引线接口
具体实施方案
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地明确说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的科学技术术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例
如图1和2所示，本实施例提供了一种量子级联激光器的封装方案。其中包括：激光器封装外壳1、三维准直透镜调整架2、激光散热片3、底部支撑固定架4和激光温度控制引线接口5。还有固定在激光器外壳内部的激光器芯片21、准直透镜22、散热热沉23、热敏电阻24、TEC(Temperature Electric Cooler)温度控制25和SMA电缆26和其他内部接线引线。
所述激光器的封装外壳1为立方体，在正面有螺纹固定三维准直透镜调整架2，背面固定有散热片3，上部有激光温度控制引线接口5，底部有支撑固定架4。以上所述的每一部分和封装外壳之前有橡胶密封圈密封结构和激光器外壳。
激光器内部封装结构中，散热热沉23通过螺丝固定在激光器封装外壳1上，TEC温度控制25被夹在两片热沉中间冷端面对激光器芯片21端，热端面对底部散热热沉23端。废热通过底部散热热沉23和背部的固定散热片3将废热散去。
激光器芯片21固定在散热热沉23上，通过热敏电阻24固定在热沉上实时监测激光器芯片的温度。同时通过调节TEC温度控制25来调节激光器芯片21的温度保证激光器稳定工作，锁定量子级联激光器的输出波长。
TEC温度控制25可以精确控制激光器的温度控制在10℃-80℃范围内的变化，控制激光器的温度变化精度达到0.001℃。
优选地，准直透镜22为中红外非球面透镜，将激光器芯片21所发射的有40°发散的激光准直输出。
固定在激光器外壳前端的三维准直透镜调整架2使用高精度螺纹扣，使得激光调整架的面内(XY轴)调整范围大于4毫米，垂直轴(Z轴)调整范围大于1厘米。螺纹扣精度为40微米调节。
固定在激光器外壳1的两侧面具有密封橡胶圈密封，保证整体量子级联激光器的气密性。
量子级联激光器的激光驱动通过固定在上表面的SMA线缆26来对封装在中心的激光器芯片进行供电驱动。在上表面的激光温度控制引线接口5和封装结构中的热敏电阻24和TEC温度控制25链接对激光器温度进行控制。
与现有的激光器封装方案相比较，本实施例所展示的量子级联激光器封装方案具有以下优点：
1.激光器具有良好的温度控制和散热功能，可以稳定控制激光器的输出波长。
2.大幅度地降低量子级联激光器的封装成本和装配难度。减小了激光器的封装体积。
3.可以灵活更换激光器的管芯，方便快速稳定进行激光器的准直耦合输出，解决其他封装方案不容易实现更换管芯，调整耦合的问题。

Claims (8)

1.量子级联激光器的封装结构，其特征在于，包括封装外壳及固定在外壳外表面的三维准直透镜调整架、散热片和支撑固定架以及设置在封装外壳内的激光器芯片、准直透镜、热沉、热敏电阻、TEC温度控制和SMA电缆接口及其在内引线所构成的一个整体集成的量子级联激光器封装结构。
2.所述量子级联激光器封装外壳为立方体。在外壳正表面具有螺纹孔和固定在前表面的三维准直透镜调整架螺纹相匹配。在外壳背面和底面有通孔用来固定在外壳后表面和底面的制冷散热片和支撑固定架。
3.根据权利要求1所述的量子级联激光器封装结构，其特征在于，所述的热沉通过螺纹固定在激光外壳内底面，在热沉上安装有TEC和热敏电阻，TEC通过热敏电阻检测到激光器的实际温度，控制制冷量的大小对激光器进行温度控制，实现特定波长的激光输出。激光芯片通过螺丝固定在热沉上表面正对三维准直透镜调整架的中心。
4.根据权利2所述的量子级联激光器封装结构，其特征在于，准直透镜透镜为非球面透镜，通过螺纹固定于三维准直透镜调整架的垂直轴调整轴上。激光器芯片的出光中心在准直透镜的中心轴上。
5.根据权利1所述的量子级联激光器封装结构，其特征在于，三维准直透镜调整架的面内调整范围为4毫米，垂直调整范围为1厘米，三维调整精度为40微米。
6.根据权利1所述的量子级联激光器封装结构，其特征在于，外壳两面有密封气密卡扣，保证整体激光器外壳封装后是气密的。
7.根据权利2所述的量子级联激光器封装结构，其特征在于，激光器外接引线为TEC温度控制器和热敏电阻和控制电路板连接，激光芯片通过SMA接口和激光驱动器连接为激光器供电。
8.根据权利2所述的量子级联激光封装要求，其特征在于，整个激光器外壳与底表面支撑固定架是绝缘的。
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