CN113972555A - 一种半导体激光器叠阵的光学处理方法 - Google Patents

一种半导体激光器叠阵的光学处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半导体激光器叠阵的光学处理方法，包括：(1)在封装好的N个巴条的两侧分别设置一根垫条；(2)挡住N‑1个巴条的发光面，暴露一个巴条的发光面，在暴露的巴条发光面上方放置D型柱透镜，使得D型柱透镜焦点所在的直线与巴条发光点所在的直线重合；(3)只暴露一个巴条的发光面，使得D型柱透镜焦点所在的直线与巴条发光点所在的直线重合；(4)按照步骤(3)，逐个调整巴条上方D型柱透镜的位置。与现有技术相比，提高了输出光的能量密度，且输出的光都为类平行光，具有更强的穿透力和光热效应，在医疗美容方面的应用时，该方法输出的光斑比较均匀，可直接作用与皮肤表面，无需再经过光波导的匀化作用。

Description

一种半导体激光器叠阵的光学处理方法
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器叠阵的光学处理方法，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
半导体激光器因其电流注入泵浦的特性以及波长可选择的优势，在各个领域有广泛的应用，以多个发光芯片构成巴条，以多个巴条封装组成激光器叠阵的封装形式，是半导体激光器功率扩展的主要方法，目前，多巴条封装的高功率激光器叠阵，依据选择性的光热动力学原理，在特定波长、能量的激光穿透人体的皮肤表层，在不损伤人体皮肤组织的前提下达到毛发的根部毛囊，激光被将毛囊内的黑色素吸收转化为热能，对毛囊进行破坏去除，使其失去再生能力。目前半导体激光器叠阵已经广泛地应用在该领域中，并且向着更高功率、小型化以及高舒适性的方向发展。
由于半导体激光器的波导性质导致其输出的光束质量相对较差，单芯片输出的光在远场是不对称的，发光点数越多，其光束质量分布越复杂，我们通常用高斯模型E(X0,Y0)来表征激光器光束分布：
Figure BDA0002598354500000011
其中，A0是源场的幅度，W0X和WOY分别是快轴和慢轴的束腰半径，X0和Y0分别表示发光点处在快轴和慢轴方向的坐标。巴条和由巴条组成的叠阵可以看做是由各个点光源的不相干叠加来表示。基于此，远场可以用基于对光束的衍射积分来表征，利用非傍轴圆偏振衍射积分公式来表征高斯光束的远场分布：
Figure BDA0002598354500000012
其中z表征光束的传播方向，x，y表示沿z向传播的快轴、慢轴坐标：
Figure BDA0002598354500000013
光束在空间中传播时，束腰半径满足双曲线传播规律：
ω2(z)＝ω0 2+z2tan2θ0
W0是半导体激光器90％能量的束腰半径，ω(z)表示空间中的光斑宽度，则激光器的发散角可以由下面的公式表征：
Figure BDA0002598354500000021
由于半导体激光器在快轴和慢轴方向上的发光面积不一致，根据上述公式计算出快、慢轴的发散角存在较大的差异，导致激光器输出光在快轴与慢轴方向的尺寸差距较大，输出光束质量较差，对于多个单管构成的巴条而言，快轴、慢轴方向的尺寸差距更大，其光束质量变得更差。
对于激光器的应用需求，激光器远场、能量分布均匀的大光斑是最好的选择，直接输出的叠阵激光器快轴发散角较大，慢轴发散角较小，无法直接应用；目前，一种方法是通过多个巴条组成多巴条叠阵来平衡输出光斑的快慢轴尺寸，另一种方法是将激光器通过光波导，利用光的全反射原理使光束聚焦匀化，获得分布均匀的光斑。
中国专利CN105411675A给出了一种高功率半导体激光器的医疗装置，该专利由激光器、光学系统、光波导、散热设备等一系列器件组成，通过在激光器沿光轴方向设计贯穿的腔室，将其零部件集成在轴线附近，将激光器输出光通过光学系统耦合进光波导中，再经光波导输出匀化的光斑；该专利提高了装置的集成度，减小了所述器件的体积，但是在后端的光学处理方法中，通过光学器件耦合进光波导中，引入了光波导匀化光斑，在界面的传播中不可避免的会损耗能量，同时增大体积和质量。
对于医疗美容方面的应用来说，主要针对激光器的高峰值能量和均匀光斑去应用，通过巴条叠加来扩展器件的峰值能量，同时通过增加巴条数量来平衡快轴与慢轴方向的光斑尺寸，但是光束的累加效果无法弥补激光器本身的远场不均匀问题，加入光波导需要面临质量加重、体积变大、损耗以及漏光的问题，同时输出的光斑经过全反射后会变的更小。限制了行业内的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种半导体激光器叠阵光学处理方法，本发明在高功率激光器叠阵的基础上，利用非球面D型柱透镜对巴条的快轴进行准直，通过调整非球面D型柱透镜相对位置，使入射的发散光处于非球面D型柱透镜焦点上，则经过非球面D型柱透镜出射的光是与光轴平行的光束，当各个巴条出射光均为平行光后，整个叠阵的输出光斑与叠阵的输出尺寸一致，快轴发散角基本一致，获得的输出光斑光束分布均匀、集中；减小了激光器的体积与重量，无需再考虑光波导匀化以及散热问题，更好的满足半导体激光器叠阵的应用。
本发明的技术方案为：
一种半导体激光器叠阵的光学处理方法，该方法用于对激光器叠阵中每一个巴条的快轴发散角进行准直，获得均匀输出的平行光，所述激光器叠阵包括平行排列的N个巴条，该光学处理方法包括步骤：
(1)在封装好的N个巴条的两侧分别设置一根垫条，用于固定D型柱透镜；
(2)挡住N-1个巴条的发光面，暴露一个巴条的发光面，在暴露的巴条发光面上方放置D型柱透镜，使得D型柱透镜的入射光平面对准巴条的出光面，然后继续调整D型柱透镜的位置，使得D型柱透镜焦点所在的直线与巴条发光点所在的直线重合，然后固定D型柱透镜；此时D型柱透镜焦点刚好与巴条的发光点重合，经过D型柱透镜输出的光为平行出射光；
(3)挡住N-2个未加透镜的巴条发光面和步骤(2)中已调整好D型柱透镜对应的巴条发光面，暴露一个巴条的发光面，在暴露的巴条的发光面上方放置D型柱透镜，使得D型柱透镜入射光平面对准巴条的出光面，然后继续调整D型柱透镜的位置，使得D型柱透镜焦点所在的直线与巴条发光点所在的直线重合，然后固定D型柱透镜；
(4)按照步骤(3)，以此类推，逐个调整巴条上方D型柱透镜的位置，使得D型柱透镜的出射光为平行光，固定D型柱透镜，完成N个巴条上方D型柱透镜的固定。
本发明激光器叠阵的基础上，利用非球面D型柱透镜对巴条的快轴进行准直，激光器在快轴方向的尺寸非常小，可近似认为点光源；通过对每个巴条的输出光束位置逐个进行调节，获得的N个巴条的输出光一致性较好，分布均匀的大光斑。当各个巴条出射光均为平行光后，整个叠阵的输出光斑与叠阵的输出尺寸一致，快轴发散角基本一致，获得的输出光斑光束分布均匀、集中；提高了输出光的能量密度，且输出的光都为类平行光，具有更强的穿透力和光热效应。对于医疗美容方面的应用来说，这种输出的光斑比较均匀，无需再经过光波导的匀化作用，能够在激光美容领域直接作用与人体皮肤表层。同时，具有体积较小的优点。
根据本发明优选的，相邻巴条之间的距离S大于3倍的D型柱透镜的中心线到光出射面的距离。如此设计，能够满足激光器叠阵的散热需求，同时避免相邻D型柱透镜输出的光发生干涉，从而使得整个叠阵的输出光斑与叠阵的输出尺寸一致，快轴发散角基本一致，获得的输出光斑光束分布均匀、集中。
根据D型柱透镜的焦距以及尺寸，结合激光器的散热能力，确定12bar叠阵的巴条发光间距，在激光器叠阵各个巴条对应的位置前安装D型柱透镜，所述12bar高功率激光器叠阵是由12个巴条通过热沉依次串联封装形成的，封装的12bar叠阵激光器输出功率大于1200W，根据光程不变原理，光路传播满足如下定律：
ρθ+n(y0-ρθcosθ)＝L (I)
式(I)中，θ表示选用巴条的发散角，ρθ表示巴条到D型柱透镜出射面的距离；n＝n2/n1，n1表示巴条所在空间的折射率；n2表示D型柱透镜折射率，y0表示D型柱透镜的中心线到光出射面的距离，
取θ＝0，可推导出如下公式(II)：
L＝ρ0(1-n)+ny0 (II)
式(II)中，L表示光程，为一固定值。ρ0表示当θ等于0时，巴条到D型柱透镜出射面的距离，由D型柱透镜焦距确定。相邻巴条之间的距离S应该满足S>3y0，从而满足激光器叠阵散热的需要。
根据本发明优选的，步骤(2)中，采用六维调节架夹持D型柱透镜来调节D型柱透镜的位置，使得D型柱透镜焦点所在的直线与巴条发光点所在的直线重合。利用六维调节架能够实现D型柱透镜位置的准确调控，避免人工操作的误差。
根据本发明优选的，步骤(2)中，使用紫外胶将D型柱透镜两端固定在两根垫条上；D型柱透镜固定后需要再次确认D型柱透镜出射的光是否为平行光，若光路发生变动，需拆除D型柱透镜重新进行调整。避免在固定D型柱透镜的过程，造成D型柱透镜位置发生偏移，影响D型柱透镜输出光的精度。
根据本发明优选的，所述激光器叠阵包括12个巴条，每个巴条的功率为100W，12个巴条依次串联形成1200W激光器叠阵。选择12个巴条的激光器叠阵制备1200W高功率叠阵激光器，可更好地满足在满足在激光器叠阵的应用。
根据本发明优选的，步骤(1)中，两根垫条平行设置在N个巴条的两侧，且垫条到每个巴条的距离相同。
根据本发明优选的，所述D型柱透镜的表面镀有光学增透膜。减小光透过D型柱透镜过程的损耗，保证输出功率。
根据本发明优选的，相邻巴条之间采用Cu10W90作为封装材料进行封装的。选择Cu10W90作为封装材料，匹配了巴条的热膨胀系数，减小了封装过程中的应力，保证巴条不弯曲，使得巴条发光面能够刚好处于D型柱透镜焦点所在的平面。
根据本发明优选的，巴条采用AuSn硬焊料封装。从而保证巴条封装可靠性。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供一种半导体激光器叠阵的光学处理方法，利用D型柱透镜对每一个巴条的快轴发散角进行准直，获得均匀输出的平行光；当每一根巴条均为平行光出射时，则整个叠阵输出光束分布均匀的光斑；以该种光学处理方法的激光器叠阵应用到医疗美容领域中，弥补了半导体激光器本身的快慢轴发散角不一致的问题，输出的光斑可不必再经过光波导的匀化，减少了激光器后端应用的体积与重量。
2.本发明提供的光学处理方法使得激光器输出的光斑不再经过光波导耦合直接应用，避免了光波导的损耗，以及耦合带来的能量损失，获得直接输出激光的峰值能量更高，应用效果更好。
附图说明
图1为D型柱透镜对光束的聚焦光路图；
图2为D型柱透镜示意图；
图3为D型柱透镜与巴条的相对位置图；
图4为六维调节架夹持D形透镜调整示意图；
图5为巴条上安装12只D型柱透镜的示意图；
图6为安装D型柱透镜后叠阵整体示意图；
其中：1、D型柱透镜；2、垫条；3、叠阵激光器外壳；4、AuSn硬焊料；5、D型柱透镜的出射光曲面；6、巴条；7、六维调节架；8、连接杆；9、Cu10W90；10、D型柱透镜的入射光平面。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种半导体激光器叠阵光学处理方法，该方法用于对激光器叠阵中每一个巴条6的快轴发散角进行准直，获得均匀输出的平行光，激光器叠阵包括N个巴条6，本实施例中，激光器叠阵包括12个巴条6，每个巴条6的功率为100W，12个巴条6依次按照正负极串联形成1200W激光器叠阵。可更好地满足在满足在美容领域的应用。
该处理方法包括：
(1)在封装好的12个巴条6的两侧分别设置一根垫条2，用于固定D型柱透镜1；D型柱透镜1如图2所示，包括D型柱透镜的出射光曲面5和D型柱透镜的入射光平面10。
在封装的高功率激光器叠阵的基础上，在激光器巴条6两侧粘接两根垫条2，垫条2固定过程中应注意安装牢固，避免脱落，同时应注意避免碰到巴条6和热沉，垫条2应平行且首末两端距离巴条6的距离一致。
(2)基于D型柱透镜1对发散光的匀化聚焦作用，将整个12bar叠阵的11根巴条6发光面挡住，在预留出的一根巴条6表面放置D型柱透镜1；如图1所示，调节D型柱透镜1的位置，使得D型柱透镜的入射光平面10对准巴条6的出光面，然后继续调整D型柱透镜1的位置，使得D型柱透镜焦点O所在的直线与巴条6发光点所在的直线重合，然后固定D型柱透镜1；此时D型柱透镜焦点O刚好与巴条6的发光点重合，经过透镜的光路如下图1所示，经过D型柱透镜1输出的光为平行出射光。
本实施例中，采用六维调节架7调整柱透镜位置，具体的，D型柱透镜1通过连接杆8连接固定到六维调节架7上。利用六维调节架7能够实现D型柱透镜1位置的准确调控，避免人工操作的误差。图4给出了D型柱透镜1通过连接杆8固定在调节架上时的示意图。
图3给出了D型柱透镜1与巴条6的相对位置，按照标准调节D型柱透镜1位置，使其处于巴条6正上方，巴条6出光面处于D型柱透镜焦点O所在的平面上。
其中，相邻巴条6之间的距离S大于3倍的D型柱透镜1的中心线到光出射面的距离。如此设计，能够满足激光器叠阵的散热需求。
根据D型柱透镜的焦距以及尺寸，结合激光器的散热能力，确定12bar叠阵的巴条6发光间距，在激光器叠阵各个巴条6对应的位置前安装D型柱透镜1，12bar高功率激光器叠阵是由12个巴条6通过热沉依次串联封装形成的，封装的12bar叠阵激光器输出功率大于1200W，根据光程不变原理，光路传播满足如下定律：
ρθ+n(y0-ρθcosθ)＝L (I)
式(I)中，θ表示选用巴条6的发散角，ρθ表示巴条6到D型柱透镜出射面的距离；n＝n2/n1，n1表示巴条6所在空间的折射率；n2表示D型柱透镜1折射率，y0表示D型柱透镜1的中心线到光出射面的距离，
取θ＝0，可推导出如下公式(II)：
L＝ρ0(1-n)+ny0 (II)
式(II)中，L表示光程，为一固定值。ρ0表示当θ等于0时，巴条6到D型柱透镜出射面的距离，由D型柱透镜的焦距确定。相邻巴条6之间的距离S应该满足S>3y0，从而满足激光器叠阵散热的需要。
本实施例中，相邻巴条6之间的距离S为3mm。
完成上述一只D型柱透镜1的位置调整后，使用紫外胶将D型柱透镜1两端固定在巴条6两侧的垫条2上；D型柱透镜1固定后需要再次确认D型柱透镜1出射的光是否为平行光，若光路发生变动，需拆除D型柱透镜1重新进行调整。避免在固定D型柱透镜1的过程，造成D型柱透镜1位置发生偏移，影响D型柱透镜1输出光的精度。
(3)将该只D型柱透镜1的出射光挡住，将其余10只未D型柱透镜1的巴条6出光面遮挡，继续预留一只未加D型柱透镜1的巴条6，按照上述调整D型柱透镜1的方法，对D型柱透镜1位置进行调整，调整至出射光为平行光，固定D型柱透镜1，以此类推，完成12只D型柱透镜1的固定，使得整个叠阵的输出光为平行光。如图5所示，巴条6上安装12只D型柱透镜1；如图6所示，再组装叠阵激光器外壳3，制备激光器叠阵成品。
D型柱透镜1的表面镀有光学增透膜。减小光透过D型柱透镜1过程的损耗，保证输出功率。
安装D型柱透镜1之后，测试激光器的输出功率不变，保持在1200W。
根据本发明提供的半导体激光器叠阵的处理方法，整个叠阵的输出光斑与叠阵的输出尺寸一致，快轴发散角基本一致，获得的输出光斑光束分布均匀、集中。
相对于现有技术中，需要将光学器件耦合进光波导中，引入了光波导匀化光斑。采用本发明提供的光学处理方法，在激光器叠阵的基础上，利用非球面D型柱透镜1对巴条6的快轴进行准直，激光器在快轴方向的尺寸非常小，可近似认为点光源；通过对每个巴条6的输出光束位置逐个进行调节，获得的12个巴条6的输出光一致性较好，分布均匀的大光斑。当各个巴条6出射光均为平行光后，整个叠阵的输出光斑与叠阵的输出尺寸一致，快轴发散角基本一致，获得的输出光斑光束分布均匀、集中；提高了输出光的能量密度，且输出的光都为类平行光，具有更强的穿透力和光热效应。这种输出的光斑比较均匀，无需再经过光波导的匀化作用，同时，具有体积较小，质量轻的优点。在激光美容领域能够直接作用与人体皮肤表层，具有广泛的应用前景。
同时，本发明提供的半导体激光器叠阵的处理方法，使得激光器输出的光斑不再经过光波导耦合直接作用于皮肤，避免了现有技术中需要医疗用半导体激光器叠阵需要经光波导造成损耗，以及耦合带来的能量损失，获得直接输出激光的峰值能量更高，应用效果更好。
实施例2
根据实施例1提供的一种半导体激光器叠阵光学处理方法，区别在于：
如图3所示，相邻巴条6之间采用宽度为3mm的Cu10W909进行封装。选择Cu10W909作为封装材料，匹配了巴条6的热膨胀系数，减小了封装过程中的应力，保证巴条6不弯曲，使得D型柱透镜焦点O所在的直线与巴条6发光点所在的直线重合。
巴条6采用AuSn硬焊料4进行封装。从而保证巴条6封装可靠性。

Claims (9)

1.一种半导体激光器叠阵的光学处理方法，其特征在于，该方法用于对激光器叠阵中每一个巴条的快轴发散角进行准直，获得均匀输出的平行光，所述激光器叠阵包括平行排列的N个巴条，该光学处理方法包括步骤：
(1)在封装好的N个巴条的两侧分别设置一根垫条，用于固定D型柱透镜；
(2)挡住N-1个巴条的发光面，暴露一个巴条的发光面，在暴露的巴条发光面上方放置D型柱透镜，使得D型柱透镜的入射光平面对准巴条的出光面，然后继续调整D型柱透镜的位置，使得D型柱透镜焦点所在的直线与巴条发光点所在的直线重合，然后固定D型柱透镜；
(3)挡住N-2个未加透镜的巴条发光面和步骤(2)中已调整好D型柱透镜对应的巴条发光面，暴露一个巴条的发光面，在暴露的巴条的发光面上方放置D型柱透镜，使得D型柱透镜入射光平面对准巴条的出光面，然后继续调整D型柱透镜的位置，使得D型柱透镜焦点所在的直线与巴条发光点所在的直线重合，然后固定D型柱透镜；
(4)按照步骤(3)，以此类推，逐个调整巴条上方D型柱透镜的位置，使得D型柱透镜的出射光为平行光，固定D型柱透镜，完成N个巴条上方D型柱透镜的固定。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器叠阵的光学处理方法，其特征在于，相邻巴条之间的距离S大于3倍的D型柱透镜的中心线到光出射面的距离。
3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器叠阵的光学处理方法，其特征在于，步骤(2)中，采用六维调节架夹持D型柱透镜来调节D型柱透镜的位置，使得D型柱透镜焦点所在的直线与巴条发光点所在的直线重合。
4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器叠阵的光学处理方法，其特征在于，步骤(2)中，使用紫外胶将D型柱透镜两端固定在两根垫条上；D型柱透镜固定后需要再次确认D型柱透镜出射的光是否为平行光，若光路发生变动，需拆除D型柱透镜重新进行调整。
5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器叠阵的光学处理方法，其特征在于，所述激光器叠阵包括12个巴条，每个巴条的功率为100W，12个巴条依次串联形成1200W激光器叠阵。
6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器叠阵的光学处理方法，其特征在于，步骤(1)中，两根垫条平行设置在N个巴条的两侧，且垫条到每个巴条的距离相同。
7.根据权利要求1所述的一种半导体激光器叠阵的光学处理方法，其特征在于，所述D型柱透镜的表面镀有光学增透膜。
8.根据权利要求1所述的一种半导体激光器叠阵的光学处理方法，其特征在于，相邻巴条之间采用Cu10W90作为封装材料进行封装的。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种半导体激光器叠阵的光学处理方法，其特征在于，巴条采用AuSn硬焊料封装。
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