CN110199447A - 低成本光学泵浦激光器封装件 - Google Patents

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Abstract

激光二极管封装件包括刚性导热基座构件，该基座构件包括：基座构件表面，其被定位成支撑至少一个激光二极管组件；至少一个电极支架，其被固定到所述基座构件表面，该电极支架具有至少一个电引线，该电引线具有第一端和第二端，其中，第一端固定到电极支架的引线表面；以及盖构件，其包括盖部分和多个侧面部分，该多个侧面部分从盖部分延伸并被定位成固定到基座构件，以便限定激光二极管封装件的侧部，其中，至少一个侧面部分包括引线孔，该引线孔被定位成接收被固定的电引线的第二端，穿过引线孔可插入电引线，使得盖构件在基座构件上延伸，以包围激光二极管封装件。

Description

低成本光学泵浦激光器封装件
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年12月23日提交的美国临时专利申请No.62/438,961的权益，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开涉及激光二极管封装件。
背景技术
激光二极管封装件通常被定位成生成用于各种应用的激光辐射形式的大量强光。封装件的各种光学、热学和机械特性会带来设计障碍，从而导致传统设计具有不期望的性能或特征。因此，仍然需要具有较少缺点的激光二极管封装件。
发明内容
根据所公开技术的一个方面，一种设备包括：激光二极管封装件，其包括刚性导热基座构件，所述基座构件包括：基座构件表面，其被定位成支撑至少一个激光二极管组件；至少一个电极支架，其被固定到所述基座构件表面，所述电极支架具有至少一个电引线，所述电引线具有第一端和第二端，其中，第一端固定到所述电极支架的引线表面；以及盖构件，其包括盖部分和多个侧面部分，所述多个侧面部分从所述盖部分延伸并被定位成被固定到所述基座构件，以便限定激光二极管封装件的侧部，其中，至少一个侧面部分包括引线孔，所述引线孔被定位成接收固定的电引线的第二端，穿过引线孔可插入所述电引线，使得所述盖构件在所述基座构件上延伸，以包围所述激光二极管封装件。在一些示例中，至少一个绝缘电极支架和至少一个电引线对应于成对的第一电极支架和第一电引线以及间隔开的成对的第二电极支架和电引线，其中，所述至少一个侧面部分包括其包括对应于第一电引线的第一引线孔和对应于第二电引线的第二引线孔的侧面部分。在进一步的示例中，所述激光二极管封装件包括电绝缘索环，所述电绝缘索环具有限定孔的环形构件，所述孔被定位成接收所述至少一个电引线的第二端，其中，所述索环在所述引线孔处被固定到所述至少一个侧面部分和所述至少一个电引线。所述激光二极管封装件还可以包括光输出端子，其被固定到所述基座构件并且包括光纤，所述光纤光学耦合到所述激光二极管封装件的内部区域，以便接收从所述至少一个激光二极管组件发射的激光束。在一些光输出端子的示例中，包括引线孔的至少一个侧面部分还包括输出端子孔，所述输出端子孔的形状对应于所述光纤输出端子的形状。在另外的光输出端子的示例中，所述基座构件包括多个子构件，其固定到所述基座构件，其中，每个子构件具有共同的覆盖区并限定所述基座构件表面的至少一部分，并且其中，每个子构件被定位成接收至少一个激光二极管组件，以便基于子构件的数量提供激光二极管封装件的输出功率可扩展性，其中，所述至少一个电极支架被固定到第一子构件，并且其他子构件包括至少一个内部电极支架，所述内部电极支架在所述激光二极管封装件内电联接到被固定到所述至少一个电极支架的至少一个电引线。在一些示例中，所述多个子构件包括第二子构件，其中，相应的第一子构件和第二子构件的至少一个激光二极管组件各自包括多个激光二极管，所述多个激光二极管被定位成发射光束并形成光束堆叠，所述光束堆叠沿共同方向传播，每个光束的慢轴彼此平行并间隔开，并且每个光束的快轴彼此对准，其中，所述光束堆叠的共同方向相同，并且所述光束堆叠与被固定到第一子构件的波长多路复用器或偏振多路复用器组合。在特定的光输出端子的实施例中，所述激光二极管组件中的一个或多个包括多个激光二极管，所述多个激光二极管位于安装块的独立台阶上，以沿第一共同方向发射相应的激光束，其中，每个激光束具有慢轴和快轴，所述慢轴和快轴被设置成使得慢轴平行且间隔开，并且快轴平行且间隔开，其中，所述激光二极管组件中的一个或多个还包括：多个快轴准直器，其分别光学耦合到一个激光束，以准直所述快轴；多个慢轴准直器，其分别光学耦合到一个快轴准直的激光束，以准直所述慢轴；多个转向镜，其分别光学耦合到快轴和慢轴准直的激光束中的一个，以将光束反射到第二共同方向，使得所述慢轴平行且间隔开，并且所述快轴对准，以形成激光二极管组件光束堆叠，其中，所述光输出端子包括一个或多个聚焦光学器件，其被定位成将所述激光二极管组件光束堆叠光学耦合到所述光纤。在这种特定的光输出端子的示例中，一个或多个激光二极管组件包括第一激光二极管组件和第二二极管组件，其中，所述第二二极管组件的第一共同方向与所述第一激光二极管组件的第一共同方向相反。在一些示例中，所述激光二极管封装件还包括光输出端子，所述光输出端子被定位成接收从所述至少一个激光二极管组件发射的激光束，并且为所述激光束在所述激光二极管封装件外部的自由空间传播提供输出。根据一些实施例，所述盖构件的侧面部分至少部分地用环氧树脂柔性地固定到所述基座构件。在其他实施例中，所述侧面部分至少部分地用环氧树脂、熔焊、软钎焊、压配合、卡扣配合、硬钎焊或紧固件中的一种或多种柔性地固定到所述基座构件。根据一些柔性地固定的示例，所述侧面部分包括具有第一长度的第一对相反的侧面部分和具有比所述第一长度大的第二长度并垂直于所述第一长度延伸的第二对相反的侧面部分，以便在所述第一长度和所述第二长度的相应端部连接所述第一对，其中，环氧树脂位于基座构件和第二对之间，靠近第二长度的中心部分，并且不在第二长度的端部。在一些实施例中，所述引线孔延伸到所述至少一个侧面部分的与所述盖部分相反的边缘，以便限定端部开口的引线孔。进一步的示例包括盖构件，所述盖构件具有相对于所述基座构件选择的厚度，以便减少基座构件的与所述激光二极管封装件的热循环相关联的翘曲。在一些示例中，所述盖构件和所述基座构件包括热膨胀系数不同的不同金属。根据一些实施例，所述基座构件由铜或铜合金制成，并且所述盖构件由铝制成。根据进一步的实施例，所述盖构件是深拉拔的金属坯件，所述金属坯件具有对应于所述多个侧面部分的被拉拔侧部。在一些实施例中，所述盖构件是折叠的、铸造的、机加工的或3D打印的盖构件。在一些激光二极管封装件中，只有一个激光二极管组件，其具有仅仅一个单发射器激光二极管。
根据所公开技术的另一方面，方法包括：将至少一个电极支架固定到激光二极管封装件的刚性导热基板构件，并将具有第一端和第二端的至少一个电引线的第一端固定到该至少一个电极支架，使得所述电引线延伸到基板构件的覆盖区外部，其中，第二端位于激光二极管封装件外部；并且用盖构件包围激光二极管封装件，所述盖构件包括从盖部分连续延伸的多个侧面部分，以便限定激光二极管封装件的侧部，并且所述盖构件包括位于至少一个侧面部分中的至少一个引线孔，所述至少一个引线孔对应于延伸到激光二极管封装件外部的至少一个电引线的横截面，其中，所述包围步骤包括穿过至少一个引线孔插入被固定的至少一个电引线的第二端。在一些示例中，所述电极支架和所述电引线包括成对的第一电支架和第一电引线以及间隔开的成对的第二电引线支架和第二电引线，并且所述一个或多个侧面部分包括其包括对应于第一电引线的第一引线孔和对应于第二电引线的第二引线孔的侧面部分。一些实施例还包括围绕延伸到激光二极管封装件外部的至少一个电引线定位绝缘索环，并且在引线孔处将所述索环固定到至少一个侧面部分和至少一个电引线。另外的实施例还包括用环氧树脂将所述盖构件的侧面部分固定到所述基板构件。一些实施例还包括将至少一个激光二极管组件固定到所述基板构件。
通过下面参考附图进行的详细描述，所公开的技术的前述和其他目的、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
图1A-1C示出了激光二极管封装件实施例的透视图；
图2-3示出了另一激光二极管封装件实施例的透视图；
图4示出了模块化激光二极管封装件实施例的平面图；
图5是代表性方法的流程图。
具体实施方式
如在本申请和权利要求中使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该、所述(the)”包括复数形式，除非上下文另有明确指示。此外，术语“包括”是指“包含”。此外，术语“联接(耦合)”并不排除被联接(耦合)项之间存在中间元件。
本文描述的系统、设备和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各种公开的实施例的所有新颖的和非显而易见的特征和方面，单独地以及通过彼此的各种组合和子组合。所公开的系统、方法和设备不限于任何特定的方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和设备也不要求存在任何一个或多个特定的优点或待解决的问题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于这些操作理论。
尽管为了便于呈现，以特定的顺序描述了一些公开的方法的操作，但是应该理解，这种描述方式包括重新排列，除非下面阐述的特定语言需要特定的顺序。例如，依次描述的操作在某些情况下可以重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和设备可以与其他系统、方法和设备结合使用的各种方式。此外，描述有时使用诸如“生产”和“提供”等术语来描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作将根据具体实现方式而变化，并且本领域普通技术人员容易辨别。
在一些示例中，值、过程或设备称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应当理解，这样的描述旨在指示可以在许多使用的功能替换方案中进行选择，并且这样的选择不需要比其他选择更好、更小或者更优选。
如本文所使用的，激光束包括其波长在大约100nm和10μm之间，通常在大约500nm和2μm之间的光辐射。基于可用的激光二极管源和光纤的示例通常与大约800nm和1700nm之间的波长相关联。在一些示例中，传播的光辐射被称为一个或多个光束，其具有直径、不对称的快轴和慢轴、光束横截面积和光束发散，这些光束发散可以取决于光束波长和用于光束成形的光学系统。为了方便起见，在一些示例中，光辐射被称为光，并且不需要具有可见波长。
典型的激光二极管具有非圆形横截面的发射区域。激光二极管的发射区域可以与沿着发射区域的最长维度定向的慢轴和沿着发射区域的最短维度定向的快轴相关联。沿着慢轴，发射的光束倾向于具有比沿着快轴的角度发散更小的角度发散。此外，慢轴倾向于与光束在更横向模式中的传播相关联，而不是与光束在快轴中的传播相关联，使得沿着慢轴测量的光束参数乘积(对应于角度发散和光束维度的乘积)大于沿着快轴测量的光束参数乘积。可以用一个或多个透镜、棱镜或反射镜来调整沿慢轴、快轴或这两者的光束发散和直径，以提供选定的光束特性。
参考光纤描述了代表性实施例，但是可以使用具有正方形、矩形、多边形、卵形、椭圆形或其他横截面的其他类型的光波导。光纤通常由掺杂(或未掺杂)的二氧化硅(玻璃)形成，以便提供预定的折射率或折射率差。在一些示例中，光纤或其他波导由其他材料制成，例如，氟锆酸盐、氟铝酸盐、氟化物玻璃或磷酸盐玻璃、硫属化物玻璃或结晶材料，例如，蓝宝石，这取决于关注的波长。二氧化硅和氟化物玻璃的折射率通常约为1.5，但是其他材料(例如，硫属化物)的折射率可以为3或更高。在其他示例中，光纤可以由塑料的一部分形成。在典型的示例中，掺杂波导芯(例如，光纤芯)响应于泵浦提供光增益，并且芯和包层近似同心。在其他示例中，芯和包层中的一个或多个偏心，并且在一些示例中，芯和包层取向和/或位移沿着波导长度变化。
如本文所使用的，数值孔径(NA)是指相对于由光波导限定的传播轴的最大入射角，对于该光波导，传播的光辐射基本上受到限制。在光纤中，光纤芯和光纤包层可以具有相关联的NA，通常分别由芯和包层之间或相邻包层之间的折射率差来定义。虽然在这种NA上传播的光辐射通常受到很好的限制，但是相关联的电磁场(例如，倏逝场)通常延伸到相邻的包层中。在一些示例中，芯NA与芯/内包层折射率相关联，包层NA与内包层/外包层折射率差相关联。对于具有芯折射率ncore和包层折射率nclad的光纤，光纤芯NA是对于具有内芯和与内芯相邻的外芯的光纤，芯NA是其中，ninner和nouter分别是内芯和外芯的折射率。如上所述的光束也可以称为具有与光束角半径相关联的光束NA。虽然如下描述多芯阶跃折射率光纤，但是也可以使用梯度折射率设计。
在本文公开的示例中，波导芯(例如，光纤芯)掺杂有稀土元素，例如，Nd、Yb、Ho、Er或其他活性掺杂剂或其组合。这种活性掺杂芯可以响应光学或其他泵浦提供光学增益。如下所述，具有这种活性掺杂剂的波导可以用于形成光放大器，或者，如果具有合适的光反馈，例如，反射层、反射镜、布拉格光栅或其他反馈机制，则这种波导可以生成激光发射。光泵浦辐射可以被设置成相对于发射的激光束或放大的光束的传播方向在波导中共同传播和/或反向传播。
术语“亮度”在本文用来指每立体角每单位面积的光束功率。在一些示例中，光束功率由一个或多个激光二极管提供，这些激光二极管产生的光束的立体角与光束波长成正比，与光束面积成反比。光束面积和光束立体角的选择可以产生泵浦光束，这些泵浦光束将选定的泵浦光束功率耦合到双包层、三包层或其他单包层或多包层光纤的一个或多个芯或包层中。可以使用通常对应于零强度值、1/e值、1/e2值、全宽半最大值(FWHM)值或其他合适度量的边界来描述光束横截面积、直径或其他光束维度。
在一些示例中，相对于一个或多个轴来描述光束和光学元件。通常，轴包括一个或多个直线段，光束沿着直线段传播，或者一个或多个光学元件沿着直线段定位。这种轴可以通过反射表面弯曲或折叠，因此轴不必是单个直线段。描述或可以使用各种透镜，包括凸-凸、平-凸、凹-凹、平-凹、圆柱形、菲涅耳、波带片、全息、球形、非球形及其组合。在方便的示例中，柱面透镜具有彼此垂直设置的柱面，以提供交叉柱面或交叉柱面透镜或透镜组件。在典型的示例中，平凸柱面透镜具有限定了焦轴的平表面和圆柱形凸表面，焦轴可以与和圆柱形凸表面相关联的轴向曲率中心平行或共线。光束通常平行于垂直于平表面的光轴入射到这种透镜上。这种光束倾向于沿着垂直于焦轴和光轴的轴(例如，慢轴、快轴)聚焦，并且准直的光束倾向于在焦轴处相对于该轴聚焦。应当理解，根据透镜的特性，焦轴可以不是笔直的。在一些交叉柱面的示例中，第一物镜和第二物镜沿着光轴间隔开，并提供相互垂直并在焦平面上相互交叉的一组对应焦轴。
在各种实施例中，光学部件(例如，透镜、载片、壳体等)与其他光学部件配准。两个或多个光学部件的表面可以配准，以便对准相应的光学部件或对准其他光学部件或光束。这种配准和对准可以轴向或横向发生，或者以适于提供光学部件和光束的相应对准的其他方式发生。术语“表面”与配准光学部件结合使用，应当理解，表面可以包括其他特征，包括边缘、平面、螺纹、锯齿、纹理、倒角、凹口、棘爪、夹紧构件等，并且这种表面可以设置在除了平行或垂直于光学部件的不同特征以外的方向上。
激光二极管封装件示例通常提供壳体，以将热量导出封装件(例如，通过壳体基座)，为光学器件、激光器和其他部件提供与外部环境隔离的保护外壳，并为将在整个使用过程中保持内部光学对准的光学和子结构连接提供机械稳定的平台，提供足够的电流处理的电馈通和足够尺寸的光学馈通，并提供用于将壳体连接(例如，用螺钉或夹具)到刚性支撑件的紧固位置，该刚性支撑件将从激光封装件壳体的基座传导出热量。具有由可伐(Kovar)合金或冷轧钢构成的刚性壁、或铜壁、具有铜或铜/钼或铜/钨基座、以及在陶瓷或玻璃馈通内的铜或铜芯引线的封装件可以提供相应的热传递。随后经由熔焊、软钎焊或环氧树脂连接单独的盖，通常作为光学系统一部分的光学馈通端口连接到封装件的壁上，而不是基板上。这种结构容易随着封装件的壁而出现光学器件或光纤移动，这些壁被从通常连接到封装件基座的激光器/光学器件上机械移除。此外，在将电引脚制造和硬钎焊或烧制到壁的过程中，基座中的材料(通常是铜或铜合金)在烧制过程中退火，导致基座变软并容易变形。用于拧紧封装件的孔通常会导致基座表面轻微变形，导致封装件基座不平坦。随后将封装件连接到其他表面，将导致封装件和安装表面之间的间隙，从而减少热传递，提高封装件内激光二极管的工作温度，并降低可靠性或改变超出特定应用的可接受公差的激光波长。
为了减轻上述问题，可以使用非常厚的基板以及较硬但导热性较差的材料(铝、铜/钼、或铜钨)或者非常薄的安装凸片，这些安装凸片独立于封装件变形，但在整个封装件上几乎不提供向下的压力，尤其是在较大的封装件(大于1平方厘米)中。在典型的示例中，激光二极管封装件和电引脚的整个内表面镀金，以提供各种二极管封装件的部件的可钎焊性，但是金镀层可能不必要地施用于一些表面，例如，侧表面，从而浪费金材料并增加成本。随着封装件壳体尺寸的增加，封装件变得极其昂贵和笨重，这增加了成本，降低了对各种低重量应用的适应性，并增加了对应力和搬运损伤的敏感性。大电流需要多个引脚或大引脚，但通常需要的连接器比较昂贵。
可以选择由具有可接受的高导热性的材料(通常为Cu或CuW)制成的基座，并且该基座与由导热性较低但维度更稳定的材料(例如，合金，例如，可伐合金，或价格较低的不锈钢合金)制成的侧壁配合，其中，经由较高温度的软钎焊或硬钎焊工艺进行配合。高温过程显著软化基板中使用的材料。此外，通过可以进一步软化基板材料的高温工艺，穿过封装件的壁安装电连接器(通常是带有玻璃或陶瓷绝缘体的Cu或Cu合金导体)。也可以选择基座，其中，基座和壁由相同的材料制成(通常具有足够高的热导率，这与尺寸稳定性的需要相平衡)，并且封装件的中心被加工成“浴缸状”构造，形成整体结构。尽管该工艺在高温硬钎焊工艺之前连接壁，但是电连接器和绝缘体被插入侧壁中，并通过高温硬钎焊焊工艺固定，因此，封装件的材料再次软化。需要具有复杂公差的大量加工，并且必须电镀较大表面积。盖可以是经由粘合剂、机械夹紧、熔焊或软钎焊连接的冲压或机加工的平“板”。
在本文公开的技术的代表性示例中，激光二极管封装件平台提供了在整个封装件制造和加工过程中具有高导热性和高硬度的刚性基座，从而产生了本来可以实现的坚固、低成本的激光二极管封装件。电镀具有用于光学安装和平坦基座的机加工特征的未退火的铜(1/4、一半、3/4或全硬)或铜合金基板，以用于可钎焊性(例如，用金)。封装件的壁不从基座连续延伸，也不连接盖，而是在激光二极管封装件的内部部件组装完成或接近完成之后，安装包括封装件的壁的深拉拔的盖构件。这种方法显著降低了激光二极管封装件的成本，并提供了开放平台，该平台解决了与“盒子”设计中的制造相关的困难。
在一些示例中，并非玻璃或陶瓷馈通连接到封装件的壁，电引线经由软钎焊连接到具有陶瓷支架或类似特征的基座。在典型的示例中，电引线是平的，但是也可以是其他形状。电引线提供内部电表面，以用于与内部电迹线的引线键合或其他接触，并分离从引线到导线的应力。盖构件在组装的最后阶段连接，并经由外壳的一个或多个壁中的开口进入电引线。盖构件和突出的电引线之间的间隙填充有陶瓷、玻璃、高温塑料或其他非导电性材料的绝缘体。在典型的示例中，绝缘体在客户处理过程中为引线/柱组件提供遮光和附加的机械完整性。然后，盖构件可以拧入、环氧化、软钎焊或熔焊到基板上。
在一些示例中，通过环氧树脂的柔性和/或机械滑动来控制盖和基座的热膨胀和收缩，以抑制基座或盖的变形，同时保持封装件和内部部件的完整性和对准，并提供防止光泄漏的密封。在所公开技术的典型示例中，封装件的壁和封装件的盖集成为一个部件，并且馈通独立于盖和壁安装到封装件上。基板硬度可以在陶瓷柱和电引线的整个连接过程中保持不变，这可以通过低于350℃的温度的软钎焊工艺来实现。
在本文中，退火通常是指热处理，通常在金属中，这增加晶粒尺寸并软化退火的材料。硬钎焊(brazing)通常是指涉及液相线高于450℃的填充金属的工艺。软钎焊(soldering)通常是指涉及液相线等于或低于450℃的填充金属的工艺。与应钎焊相比，软钎焊通常导致较低强度的连接。低温软钎焊通常是指钎料在200℃或低于200℃的温度下液化的软钎焊工艺。通常在350℃以上的温度下发生高温软钎焊工艺。
在本文的代表性示例中，基板由足够导热性材料(例如，Cu或Cu合金)的简单板结构制造(机加工、模制、铸造或冲压)。因为基板在封装件制造期间不经历高温处理，所以基板和封装件保持原始完整性，并且经历显著减少的表面翘曲(例如，在基板覆盖区上小于或等于50μm、30μm、10μm或5μm)，因此导致更坚固和可靠的封装件产品。此外，因为基板制造更简单(加工时间更短、关键尺寸更少、没有高温工艺以及镀覆的表面积减小)，所以制造成本大大降低。电连接器和支架经由(相对)低温软钎焊工艺连接到基板上，该软钎焊工艺可以类似于用于将一个或多个其他部件连接到基板上的软钎焊工艺。
为了形成封装件的壁，盖构件可以由可接受的材料(例如，铝合金)廉价地冲压而成，以形成放置在基板上的倒置浴缸状结构。盖构件可以以这样的方式连接，即，盖构件和基板之间的尺寸稳定性的差异不会导致盖构件向基板施加会损害激光封装件的功能或可靠性的应力。盖构件可以用粘合剂固定到基板上，以便限制或减少施加到基板上的热量和/或应力。在另外的示例中，可以使用其他固定机构，例如，紧固件(例如，螺钉)或低温软钎焊工艺。导电引脚的横截面可以根据二极管封装件的电流要求而变化，从而允许高功率/电流操作，而不牺牲可靠性。此外，通过移除通常定位成使得阻挡激光二极管发射的光束的封装件的侧壁，基板为待添加的激光二极管组件的独立模块单元提供了平台，从而缩放封装件的输出功率。例如，通过将模块单元放置在彼此非常接近的位置，每个模块单元的输出可以通过偏振、波长或几何多路复用来自激光二极管封装件中的多个模块单元的激光束而组合成单个无焦或光纤耦合的输出。
在图1A-1C中，示出了激光二极管封装件100的示例，包括具有基座构件表面103的基座构件102，在基座构件表面103上，多个激光二极管组件104a-104d被固定到相应的载板106a-106b。一对电极支架108、110也被固定到基座构件102，一对相应的电极112、114在电极第一端116a、118a被固定到相应的支架108、110，其中，电极112、114延伸通过基座构件102的覆盖区，使得相反的电极第二端116b、118b位于激光二极管封装件100的外部。电极112、114的第一端116a、118a位于激光二极管组件104a-104d的多个激光二极管120a-120d附近，使得激光二极管120a-120d可以电联接到电极112、114(例如，通过串联关系的引线键合)，以接收电流并发射相应的激光二极管光束。第二端116b、118b联接到电源(未示出)，以为激光二极管120a-120d提供电流。在代表性示例中，支架108和/或110是陶瓷的并且是电绝缘的。在一些示例中，至少一个支架108、110的全部或一部分可以是导电的。在一些实施例中，绝缘材料可用于在基座构件102和支架108、110之间或者在相应支架108、110和相应电极112、114之间实现电绝缘。在特定示例中，电极112、114中的一个可以通过相应的支架108、110导电性地联接到基座构件102。
激光二极管封装件100可以用紧固件固定到其他系统部件或壳体。例如，在光纤激光器系统中，多个激光二极管封装件100可以用作泵浦激光器模块，并且泵浦激光器模块可以固定到光纤激光器系统壳体。
激光二极管组件104a-104d还包括快轴准直器122a-122d和慢轴准直器124a-124d，其被定位成接收从相应的激光二极管120a-120d发射的激光二极管光束并沿着相应的快发散轴126和慢发散轴128准直光束。准直的光束由相应的转向镜130a-130d接收并转向，使得光束堆叠，其中，慢轴彼此平行，且快轴对准，以形成光束堆叠，该光束堆叠被引导到聚焦光学器件132，聚焦光学器件132将光束光学耦合到光纤136的端面134中。在典型的示例中，物镜135被定位成在端面134处引导和聚焦光束的一个或多个轴，以用于耦合到光纤136中。端面134位于光输出端子138中，光输出端子138例如通过紧固件固定到基座构件102。光输出端子138的外部144与基座构件102的边缘对准。在典型的示例中，激光二极管120a-120d发射最大平均光功率在10瓦至25瓦范围内的光束。对于不同的实施例，激光二极管组件的数量、每个组件的激光二极管以及光纤136的接收特性是变化的，使得耦合到光纤136中的组合的光束堆叠的总功率在50瓦到300瓦的范围内。
激光束波长可以根据二极管材料而变化，通常在700nm至1000nm的范围内，但包括红外和紫外的其他波长也是可能的。代表性封装件的实施例具有针对光纤激光泵浦应用选择的波长。在一些示例中，用频率选择元件选择、窄化或锁定波长，例如，可以耦合到单独的激光二极管或光束组(例如，光束堆叠)并且可以位于激光二极管封装件100中的一个或多个光束路径中的体积布拉格光栅，其中，方便提供频率锁定性能，例如，在慢轴准直器和转向镜之间、在快轴准直器和慢轴准直器之间、在快轴准直器和相应的激光二极管之间、在转向镜和聚焦光学器件之间、在聚焦光学器件内等。在特定示例中，激光束波长在选定的工作功率和二极管结温下以808nm、915nm或976nm为中心。在一些示例中，激光二极管组件可以包括一个单发射器激光二极管，并且一些封装件可以包括单个激光二极管组件(例如，一个组件具有单个激光二极管、两个激光二极管、三个激光二极管等)。在不将激光耦合到光纤中的情况下，一些实施例提供了将一束或多束光束或组合的光束堆叠耦合到光输出端子138的自由空间耦合。在这样的示例中，可以省略或修改聚焦光学器件132，以便提供光束在激光二极管封装件100外部的准直自由空间传播，例如，传播到外部光束成形光学器件、目标或被定位成接收光束的其他激光部件。
激光二极管封装件100的代表性示例还包括盖构件146，该盖构件146可以是具有限定激光二极管封装件100的顶部的盖部分148的单个深拉拔部件。在一些示例中，盖部分具有多个侧面部分150a-150d，这些侧面部分可以从盖部分148连续延伸，以便限定激光二极管封装件100的侧部。在进一步示例中，可以折叠、铸造、机加工、3D打印或以其他方式形成盖部分148。侧面部分150a包括开口152、154、156，例如，孔、洞、槽等。在一些示例中，单个开口可以限定在选定的侧面部分上，并且在其他示例中，不同的开口可以限定在不同的选定的侧面部分上。当盖构件146位于基座构件102上方，以包围激光二极管封装件100时，侧面部分150a中的开口152、154的位置分别对应于延伸到激光二极管封装件100外部的电引线112、114。开口156的位置对应于光输出端子138的外部部分144，使得光输出端子138被位于基座构件102上方的盖构件146包围。在多个激光二极管组件104a-104d、具有被固定的电引线112、114的电极支架108、110以及光输出端子138被固定到基座构件102的情况下，盖构件146在开口152、154处被插在电引线112、114的第二端116b、118b上，并在基座构件102的覆盖区上方的位置，以包围激光二极管封装件100。在进一步示例中，可以省略盖构件146，电极支架108、110可以被定位成支撑电引线112、114，而不需要盖构件146的支撑。在不同的示例中，电极支架108、110包括更大的横截面或材料强度，或者用更高强度的软钎焊、紧固件或其他紧固机构固定到基座构件102，或者电引线112、114更小或者其组合。例如，由于激光限制不太重要的另一围壳或环境，某种应用可能不需要包围激光二极管封装件100。
一对绝缘索环158、160包括相应的索环开口162、164，其形状对应于电引线112、114的横截面。在盖构件146位于基座构件102上的情况下，索环158、160通过索环开口162、164插在电引线112、114上，并位于开口152、154处。索环158、160包括内部索环部分166、168，其跨过开口152、154桥接位于相应的电引线112、114和侧面部分150a之间的至少一部分间隙。在一些示例中，内部索环部分166、168的外表面170、172接触侧面部分150a。在进一步示例中，粘合剂将外表面170、172固定到侧面部分150a。索环158、160使传导为激光二极管120a-120d供电的电流的电引线112、114与盖构件146绝缘，盖构件146可以由各种导电或非导电材料类型制成，包括铜和铝。合适的绝缘材料包括高温陶瓷、树脂和聚合物。在一些示例中，索环158、160是流体材料，其可以围绕穿过开口152、154插入的电引线112、114流动，并且在盖构件146位于基座构件102上方的位置时固化，形成紧密的绝缘密封。当侧面部分150a相对于电引线112、114滑动以包围基座构件102时，开口152、154和电引线112、114的横截面之间的尺寸差异允许盖构件146以一定角度定位，从而在激光二极管组件104a-104d和侧面部分150c之间提供间隙。图1C示出了激光二极管封装件100，其中，盖构件146固定在基座构件102上，并且其中，索环158、160在电引线112、114上固定就位。
在典型示例中，在盖构件146的开口152、154沿着电引线112、114平移时，开口156可以沿着光纤终端174平移。开口156可以是开放的，使得开口156延伸到侧面部分150a的边缘，允许为光纤136留出间隙，并允许将盖构件146定位在基座构件102上，同时光纤136联接到光输出端子138。开口156可以与光输出端子138的外部144形成紧密、紧贴或过盈配合。环氧树脂或其他粘合剂可用于在开口156处固定外部部分144和侧面部分150a之间的任何间隙。在代表性示例中，盖构件146沿着侧面部分150a-150d的边缘和基座构件表面103之间的接触区域的至少一部分，用粘合剂(例如，高温环氧树脂)固定到基座构件102。在一些示例中，粘合剂选择性地施加到较长侧面部分150a、150c与基座构件表面103接触的中间区域。当激光二极管封装件100经历操作循环时，选择性的施加允许基座构件102在结构上部分地与盖构件146脱离，使得基座构件102可以部分地独立于盖构件146膨胀或收缩。在进一步示例中，盖构件146可以通过熔焊、软钎焊、压配合、卡扣配合、硬钎焊、螺旋式紧固或其他紧固件或组合替代地或另外固定到基座构件102。
在代表性示例中，盖构件146的厚度小于基座构件102的厚度，或者与封装件的侧部和基座构件之间的常规厚度差相比减小。在一些深拉拔的盖构件示例中，盖构件146通常具有毫米范围内的共同厚度，例如，0.05mm、0.1mm、0.5mm、1mm、2mm、5mm等。通常从基座构件102的底面到与包围激光二极管封装件100的盖构件146接触的表面测量基座构件102的厚度。厚度通常也在毫米范围内，例如，0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm或更厚。在基座构件102的厚度增大的示例中，在构造激光二极管封装件100以及在较大系统或最终用户应用中在下游实现激光二极管封装件100期间，额外的厚度增加了基座构件102的刚性和弯曲强度以及相应的抗偏转性。通常，厚度差还允许实现各种其他封装件变化、性能改进和成本降低。例如，在盖构件102包含封装件的侧部的情况下，通常在盖部分148和侧面部分150a-150d具有共同厚度的情况下，金镀层可以施加到基座构件102上，以用于构件的可钎焊性，而不会将上述材料施加到封装件的侧部而浪费。
如上所述，在不同的实施例中，盖构件146可以由铝、铜或其他材料制成。在一些示例中，盖构件146的材料不同于基座构件102的材料。例如，基座构件102可以由铜制成，盖构件146可以由铝制成。在一些示例中，基座构件102和盖构件146可以是具有匹配或不匹配的热膨胀系数(CTE)的不同材料，包括金属、陶瓷或复合材料。可以从可用的材料中选择CTE，包括不同的材料，以便减少或最小化与CTE失配相关的应力。在一些示例中，盖构件146相对于基座构件102的减小的厚度允许侧面部分150a-150d在制造、安装或操作期间应变，并减小基座构件102的与应变相关联的偏转。如图所示，在激光二极管封装件100的代表性实施例中，电引线112、114固定到电极支架108、110。这为将电极引脚硬钎焊到激光二极管封装件的侧部提供了有利的替代方案，因为引脚向侧部烧制，使侧部以及连接的或连续形成的基板退火或软化，导致基板翘曲。在一些示例中，选择盖构件146的材料和/或厚度，以减少与固定到基座构件102相关联的基座构件102上的翘曲效应。另外，通过使用盖构件146，即使基座构件102的厚度增加，与将侧部包含到基板中的壳体相比，激光二极管封装件100的总重量也减小了。在尺寸、重量和功率(SWaP)问题至关重要的航空航天应用中，这种总重量减轻和热性能提高可能是有利的。此外，重量和热改进可以允许封装件尺寸增加，例如，允许额外的激光二极管发射器或者增加刚性和/或强度改进。
图2-3示出了激光二极管封装件300的另一示例，该激光二极管封装件300包括基座构件302和一对激光二极管组件304a、304b，每个激光二极管组件304a、304b被定位成发射沿着平行传播轴但在彼此相反的方向上传播的一组激光束。一对光束堆叠由组合光束堆叠的偏振多路复用器306形成和接收。聚焦光学器件308接收组合的光束堆叠并将光耦合到与光输出端子312耦合的光纤310中。一对电引线314、316固定到相应的支架318、320，支架318、320固定到基座构件302。内部电汇流条321固定到基座构件302，并提供用于完成电引线314和激光二极管组件304a以及激光二极管组件304b和电引线316之间的串联电路的电路径。
盖构件322包括限定激光二极管封装件300顶部的盖部分324和限定激光二极管封装件300的侧部的多个侧面部分326a-326d。侧面部分326a包括一对开口328、330，其被定位成接收电引线314、316，使得盖构件322可以位于基座构件302上，其中，电引线314、316被固定到支架318、320和基座构件302。侧面部分326d包括延伸到侧面部分326d的边缘的开口332，使得当盖构件302可滑动地接合电引线314、316时，盖构件302可以在光输出端子312上在侧面部分326c处降低。盖构件322和基座构件302沿着接触表面333的至少一部分被固定在一起，以便包围激光二极管封装件300。在盖构件322位于适当的位置并与基座构件302接触的情况下，一对绝缘索环334、336插在突出的电引线314、316上，以便围绕在开口328、330中的电引线314、316。索环334、336被固定到电引线314、316和侧面部分326a。
在图4中，示出了模块化激光二极管封装件400的示例，该封装件具有基座构件402，基座构件402包括三个子构件404、406、408，子构件404、406、408可以具有几个基本相似的特征，这些特征简化了不同产品类别的可制造性以及对不同封装件的输出功率或其他特性(例如，数值孔径)的可扩展性。一对电极410、412从被固定到子构件404的支架414、416延伸到激光二极管封装件400的外部。三个子构件404、406、408中的每一个都包括相应的激光二极管组件418、420、422，激光二极管组件418、420、422被定位成发射相应的几组激光二极管光束，这些光束被引导到光束堆叠419、421、423中。光束堆叠419、421、423被转向镜424、426、428引导到位于光输出端子432中的聚焦物镜430，以聚焦并耦合到光纤434中。光束堆叠419、421、423可以以各种方式组合。例如，光束堆叠419、421、423中的一个或多个可以几何地多路复用，以便层叠(即，在图4的平面内或平面外)或并排放置。光束堆叠419、421、423中的一个或多个可以与转向镜424、426偏振复用。在代表性示例中，光束堆叠419、421、423中的一个或多个以不同波长发射，并且转向镜424、426包括二向色涂层，从而通过或反射相应的入射光束堆叠419、421、423。在一些示例中，子构件406包括支架436、438，并且子构件408包括支架440、442，支架440、442可用于连接一个或多个内部导电构件，以完成具有电引线410、412的一个或多个电路，并且向激光二极管组件418、420、422提供电流。在一些示例中，电引线410、412可以被固定到基座构件402的其他位置。例如，一对或多对电极可以从图4中的子构件404、406、408的左侧联接。子构件404、406、408通常是平坦的，并且没有会阻碍光束堆叠传播的侧部构件，从而可以制造各种尺寸和配置的激光二极管封装件，并且基座构件402的覆盖区可以模块化地变化。
图5示出了形成激光二极管封装件的方法500的示例。在502处，至少一个电极支架被固定到激光二极管封装件的刚性导热基板构件，并且至少一个电引线的第一端被固定到至少一个电极支架，使得电引线延伸到基板构件的覆盖区外部，其中，第二端位于激光二极管封装件外部。在504处，用盖构件包围激光二极管封装件，该盖构件包括从盖部分延伸的多个侧面部分，以便限定激光二极管封装件的侧部，并且该盖构件包括在至少一个侧面部分中的至少一个引线孔，该引线孔被定位成接收延伸到激光二极管封装件外部的至少一个电引线。包围步骤通常包括穿过至少一个引线孔插入被固定的至少一个电引线的第二端。在代表性示例中，在506处，至少一个激光二极管组件可以被固定到基板构件。在508处，绝缘索环可以围绕延伸到激光二极管封装件外部的至少一个电引线定位，并且索环可以在引线孔处被固定到至少一个侧面部分和至少一个电引线。在一些示例中，在510处，盖构件的侧面部分可以用环氧树脂、紧固件或其他固定机构固定到基板构件。
鉴于所公开技术的原理可应用的许多可能的实施例，应该认识到，所示的实施例仅仅是代表性示例，并且不应该被视为限制本公开的范围。在这些部分中具体提出的替代方案仅仅是示例性的，并不构成本文描述的实施例的所有可能的替代方案。例如，本文描述的系统的各种部件可以在功能和使用上组合。因此，我们要求落在所附权利要求的范围和精神内的所有内容。

Claims (25)

1.一种设备，包括：
激光二极管封装件，所述激光二极管封装件包括刚性导热基座构件，所述基座构件包括：基座构件表面，所述基座构件表面被定位成支撑至少一个激光二极管组件；至少一个电极支架，所述电极支架被固定到所述基座构件表面，所述电极支架具有至少一个电引线，所述电引线具有第一端和第二端，其中，所述第一端被固定到所述电极支架的引线表面；以及盖构件，所述盖构件包括盖部分和多个侧面部分，所述多个侧面部分从所述盖部分延伸并被定位成被固定到所述基座构件，以便限定所述激光二极管封装件的侧部；
其中，所述侧面部分中的至少一个包括引线孔，所述引线孔被定位成接收被固定的所述电引线的所述第二端，所述电引线的所述第二端能够穿过所述引线孔插入，使得所述盖构件在所述基座构件上延伸，以包围所述激光二极管封装件。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个绝缘电极支架和所述至少一个电引线包括成对的第一电极支架和第一电引线以及间隔开的成对的第二电极支架和电引线；
其中，所述至少一个侧面部分包括其包括对应于所述第一电引线的第一引线孔和对应于所述第二电引线的第二引线孔的侧面部分。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述激光二极管封装件包括电绝缘索环，所述电绝缘索环具有限定孔的环形构件，所述孔被定位成接收所述至少一个电引线的第二端；
其中，所述索环在所述引线孔处被固定到所述至少一个侧面部分和所述至少一个电引线。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述激光二极管封装件还包括光输出端子，所述光输出端子被固定到所述基座构件并且包括光纤，所述光纤光学耦合到所述激光二极管封装件的内部区域，以便接收从所述至少一个激光二极管组件发射的激光束。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，包括所述引线孔的所述至少一个侧面部分还包括输出端子孔，所述输出端子孔的形状对应于所述光纤输出端子的形状。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述基座构件包括被固定到所述基座构件的多个子构件，其中，每个子构件具有共同的覆盖区并限定所述基座构件表面的至少一部分，并且其中，每个子构件被定位成接收至少一个激光二极管组件，以便基于子构件的数量提供激光二极管封装件的输出功率可扩展性；
其中，所述至少一个电极支架被固定到第一子构件，并且其他子构件包括至少一个内部电极支架，所述内部电极支架在所述激光二极管封装件内电联接到被固定到所述至少一个电极支架的所述至少一个电引线。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述多个子构件包括第二子构件，其中，相应的第一子构件和第二子构件的至少一个激光二极管组件各自包括多个激光二极管，所述多个激光二极管被定位成发射光束并形成光束堆叠，所述光束堆叠沿共同方向传播，每个光束的慢轴彼此平行并间隔开，并且每个光束的快轴彼此对准；
其中，所述光束堆叠的共同方向相同，并且所述光束堆叠与被固定到所述第一子构件的波长多路复用器或偏振多路复用器组合。
8.根据权利要求4所述的设备，其中，所述至少一个激光二极管组件中的一个或多个包括多个激光二极管，所述多个激光二极管位于安装块的独立台阶上，以沿第一共同方向发射相应的激光束，其中，每个激光束具有慢轴和快轴，所述慢轴和快轴被设置成使得所述慢轴平行且间隔开，并且所述快轴平行且间隔开；
其中，所述至少一个激光二极管组件中的一个或多个还包括：多个快轴准直器，所述多个快轴准直器分别光学耦合到一个激光束，以准直所述快轴；多个慢轴准直器，所述多个慢轴准直器分别光学耦合到一个快轴准直的激光束，以准直所述慢轴；多个转向镜，所述多个转向镜分别光学耦合到快轴和慢轴准直的激光束中的一个，以将所述光束反射到第二共同方向，使得所述慢轴平行且间隔开，并且所述快轴对准，以形成激光二极管组件光束堆叠；
其中，所述光输出端子包括一个或多个聚焦光学器件，所述聚焦光学器件被定位成将所述激光二极管组件光束堆叠光学耦合到所述光纤。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述至少一个激光二极管组件中的所述一个或多个包括第一激光二极管组件和第二二极管组件，其中，所述第二二极管组件的第一共同方向与所述第一激光二极管组件的第一共同方向相反。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述激光二极管封装件还包括光输出端子，所述光输出端子被定位成接收从所述至少一个激光二极管组件发射的激光束，并且为所述激光束在所述激光二极管封装件外部的自由空间传播提供输出。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述侧面部分至少部分地用环氧树脂柔性地固定到所述基座构件。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述侧面部分至少部分地用环氧树脂、熔焊、软钎焊、压配合、卡扣配合、硬钎焊或紧固件中的一种或多种柔性地固定到所述基座构件。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述侧面部分包括具有第一长度的第一对相反的侧面部分和具有比所述第一长度大的第二长度并垂直于所述第一长度延伸的第二对相反的侧面部分，以便在所述第一长度和所述第二长度的相应端部连接所述第一对；
其中，环氧树脂位于所述基座构件和所述第二对之间，靠近所述第二长度的中心部分，并且不在所述第二长度的端部。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述引线孔延伸到所述至少一个侧面部分的与所述盖部分相反的边缘，以便限定开放的引线孔。
15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述盖构件具有相对于所述基座构件选择的厚度，以便减少所述基座构件的与所述激光二极管封装件的热循环相关联的翘曲。
16.根据权利要求1所述的设备，其中，所述盖构件和所述基座构件包括热膨胀系数不同的不同金属。
17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述基座构件由铜或铜合金制成，并且所述盖构件由铝制成。
18.根据权利要求1所述的设备，其中，所述盖构件是深拉拔的金属坯件，所述金属坯件具有对应于所述多个侧面部分的被拉拔侧部。
19.根据权利要求1所述的设备，其中，所述盖构件是折叠的、铸造的、机加工的或3D打印的盖构件。
20.根据权利要求1所述的设备，其中，所述激光二极管组件包括单个单发射器激光二极管。
21.一种方法，包括：
将至少一个电极支架固定到激光二极管封装件的刚性导热基板构件，并将至少一个电引线的第一端固定到所述至少一个电极支架，使得所述电引线延伸到所述基板构件的覆盖区外部，其中，所述第二端位于所述激光二极管封装件外部；并且
用盖构件包围激光二极管封装件，所述盖构件包括从盖部分延伸的多个侧面部分，以便限定激光二极管封装件的侧部，并且所述盖构件包括位于至少一个侧面部分中的至少一个引线孔，所述至少一个引线孔被定位成接收延伸到所述激光二极管封装件外部的所述至少一个电引线，其中，所述包围包括穿过所述至少一个引线孔插入被固定的所述至少一个电引线的所述第二端。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述至少一个电极支架和所述至少一个电引线包括成对的第一电支架和第一电引线以及间隔开的成对的第二电支架和第二电引线；
其中，所述至少一个侧面部分包括其包括被定位成接收所述第一电引线的第一引线孔和被定位成接收所述第二电引线的第二引线孔的侧面部分。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述方法还包括围绕延伸到所述激光二极管封装件外部的所述至少一个电引线定位绝缘索环，并且在所述引线孔处将所述索环固定到所述至少一个侧面部分和所述至少一个电引线。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述方法还包括用环氧树脂将所述盖构件的侧面部分固定到所述基板构件。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，所述方法还包括将至少一个激光二极管组件固定到所述基板构件。
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