CN114498287B - 一种半导体光纤耦合装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种半导体光纤耦合装置，包括：壳体，所述壳体包括用于安装COS、电极、准直镜以及反射镜的容置腔，所述容置腔的底部设置有COS焊接阶梯，所述COS直接安装在所述COS焊接阶梯的台阶上，所述壳体的底部设置有斜切面，所述斜切面相对所述台阶倾斜设置。本发明中的半导体光纤耦合装置，通过将COS直接安装在所述COS焊接阶梯上，减少了中间单元热沉，利于COS热量的逸散。通过在壳体底部设置斜切面，并且将斜切面相对COS焊接阶梯的台阶倾斜设置，能够使COS焊接阶梯的每个台阶面与壳体底部散热面之间的距离相同，进而实现安装在COS焊接阶梯台阶面上的COS的同等散热，保证每个COS散热量的均匀性。
Description
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，具体而言，涉及一种半导体光纤耦合装置。
背景技术
半导体激光器单管具有光电效率高，寿命长等优点，由于单管功率较低，一般常采用多根激光器单管在激光器上经过准直后进行空间合束，聚焦后耦合进光纤的方式提高其输出功率。
现有的单管芯片常采用COS（Chip on Submount，芯片封装）的形式封装到陶瓷热沉，将单个COS焊接到单元热沉后，再安装到底板热沉进行散热。通过合理的散热有利于延长半导体激光器的寿命，保证输出功率的稳定性。
目前半导体多单管激光器多采用单管阶梯排列，每个COS距离热沉底部散热传导距离是不一致的，导致各COS散热不均匀，影响单管芯片的寿命及功率输出。
随着近年来单管芯片技术的发展，单个单管芯片的功率在逐年增加，工作时产生的热量也在增加，为了有效保证高功率半导体激光器的寿命及输出功率的稳定性，应设计合理的散热结构保证单管的散热。
发明内容
本申请的目的是提供一种半导体光纤耦合装置，能够使半导体激光器系统可实现良好的散热，增强可靠性，延长使用寿命，且结构简易，便于实现高功率半导体激光的稳定输出。
为了实现上述目的，本发明提供了一种半导体光纤耦合装置，包括：壳体，所述壳体包括用于安装COS、电极、准直镜以及反射镜的容置腔，所述容置腔的底部设置有COS焊接阶梯，所述COS直接安装在所述COS焊接阶梯的台阶上，所述壳体的底部设置有斜切面，所述斜切面相对所述台阶倾斜设置。
在可选的实施方式中，所述COS及所述台阶分别包括多个，所述COS与所述台阶一一对应，每个所述台阶的尺寸相同，相邻所述台阶的间距大于所述COS的宽度。
在可选的实施方式中，多个所述台阶相对水平面逐级倾斜延展，所述斜切面及所述COS焊接阶梯相对水平面之间的倾斜角度相同。
在可选的实施方式中，所述准直镜包括快轴准直镜及慢轴准直镜，所述快轴准直镜安装在所述COS的出光端面上，所述慢轴准直镜安装在慢轴准直镜安装阶梯上，所述慢轴准直镜安装阶梯与所述COS焊接阶梯对应设置。
在可选的实施方式中，所述COS焊接阶梯与所述慢轴准直镜安装阶梯紧贴布置，所述慢轴准直镜安装阶梯的高度小于所述COS焊接阶梯的高度，所述COS焊接阶梯的每个台阶与所述慢轴准直镜安装阶梯的每个台阶位置相对。
在可选的实施方式中，所述电极包括插电电极及导电电极，所述壳体的侧壁上开设有用于安装所述插电电极的电极安装孔，所述慢轴准直镜安装阶梯上设置有用于安装所述导电电极的电极安装槽。
在可选的实施方式中，所述反射镜安装在反射镜安装阶梯上，所述反射镜安装阶梯与所述慢轴准直镜安装阶梯紧贴设置，所述反射镜安装阶梯的高度小于所述慢轴准直镜安装阶梯的高度。
在可选的实施方式中，所述反射镜安装阶梯的每个台阶包括倾斜侧壁，每个所述倾斜侧壁与所述慢轴准直镜安装阶梯之间的夹角为45°，所述反射镜安装在所述倾斜侧壁上。
在可选的实施方式中，所述COS焊接阶梯、所述慢轴准直镜安装阶梯以及所述反射镜安装阶梯的每个台阶均包括弧形倒角，所述弧形倒角设置在不同阶梯之间的相交处。
在可选的实施方式中，所述COS焊接阶梯、所述慢轴准直镜安装阶梯以及所述反射镜安装阶梯均与所述壳体一体成型；
所述壳体的材质为紫铜，且其横向截面为P形。
本发明中的半导体光纤耦合装置，通过将COS直接安装在所述COS焊接阶梯上，减少了中间单元热沉，利于COS热量的逸散。
通过在壳体底部设置斜切面，并且将斜切面相对COS焊接阶梯的台阶倾斜设置，能够使COS焊接阶梯的每个台阶面与壳体底部散热面之间的距离相同，进而实现安装在COS焊接阶梯台阶面上的COS的同等散热，保证每个COS散热量的均匀性。
本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请中半导体光纤耦合装置壳体的俯视结构示意图；
图2为本申请中不同阶梯在壳体中的布置示意图；
图3为将各种功能组件安装在壳体后的结构示意图。
图标：
1-壳体；11-容置腔；12-边框；13-电极安装孔；14-电极安装槽；
2-COS；20-COS焊接阶梯；21-COS台阶；
3-快轴准直镜；
4-慢轴准直镜；40-慢轴准直镜安装阶梯；41-慢轴准直镜台阶；
5-反射镜；50-反射镜安装阶梯；51-反射镜台阶；52-倾斜侧壁；
6-插电电极；
7-导电电极；
8-耦合透镜；
9-端帽光纤。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
参见图1-图3，本申请提供了一种半导体光纤耦合装置，包括：壳体1，所述壳体1包括用于安装COS2、电极、准直镜以及反射镜5的容置腔11，所述容置腔11的底部设置有COS焊接阶梯20，所述COS2直接安装在所述COS焊接阶梯20的台阶上，所述壳体1的底部设置有斜切面，所述斜切面相对所述台阶倾斜设置。
本发明中的半导体光纤耦合装置，主要用于半导体激光器中多个COS2的安装，具体应用于多个半导体单管芯片的阶梯排列中。
在现有的半导体多单管激光器中，每个COS2首先焊接在单元热沉上，然后再安装到底板热沉进行散热，COS2与底板热沉之间由单元热沉隔断，不利于COS2的散热，每个COS2距离底板热沉之间的距离差异导致了COS2向底部传导散热的距离也不相同，难以保证每个COS2散热量的均匀性。
本发明通过将COS2直接以焊接的形式安装在COS焊接阶梯20上，减少了中间单位热沉的设置，能够使COS2散热的热量直接通过传导的形式转移到壳体1上，进而通过壳体1底部的散热面将热量向外逸散。
壳体1底部设置的斜切面，相对COS焊接阶梯20的台阶倾斜设置，优选地，斜切面相对COS焊接阶梯20的台阶平面倾斜设置，能够使每个台阶与底部散热面之间的距离相同，从而使每个COS2保持相同的散热效果，从而提高阶梯排列的COS2散热量的均匀性。
具体地，COS2及COS焊接阶梯20上的COS台阶21分别包括多个，每个COS2单独安装焊接在相对应的COS台阶21的顶部平面上，优选地，COS2与COS台阶21为一一对应的关系，为了提高COS2布置的均匀性，每个COS台阶21的尺寸相同，COS2安装在每个COS台阶21的相同位置上。COS台阶21的尺寸大于COS2的尺寸，且多个COS台阶21相互搭接逐级下延，进一步地，相邻COS台阶21的间距大于COS2的宽度。通过该种设置方式，能够拉开COS2之间的距离，构成多个COS2均布分散的设置形式，更加有利于散热。
为了使COS2能够均匀地布置在COS焊接阶梯20上，COS焊接阶梯20所包括的多个台阶相对水平面逐级倾斜延展，能够使安装在每个COS台阶21上的COS2拉开间距，并构成相互隔开的分布状态，且每个COS台阶21上的热量能够相互隔离，各自通过壳体1向外进行热量的传导。
进一步地，为了确保每个COS台阶21与壳体1底部的散热面之间的距离相同，壳体1底部的斜切面与COS焊接阶梯20相对水平面之间的倾斜角度相同，即COS焊接阶梯20上多个COS台阶21沿着斜切面的倾斜角度倾斜下延，能够从最大程度上保证每个COS台阶21与壳体1底部的斜切面之间的距离相同，从而促进不同COS台阶21散热的均匀。
本发明中的准直镜包括快轴准直镜3及慢轴准直镜4，其中快轴准直镜3安装在所述COS2的出光端面上，对单管发出的光进行快轴准直，慢轴准直镜4与快轴准直镜3之间留有一定间隙，且慢轴准直镜4安装在慢轴准直镜安装阶梯40上，具体地，慢轴准直镜安装阶梯40与COS焊接阶梯20对应设置，能够将每个COS2发出的光经快轴准直后进行慢轴准直。通过设置的慢轴准直镜安装阶梯40，并结合其与COS焊接阶梯20的匹配关系，能够保证慢轴准直镜4物料高度方向的一致性，确保慢轴准直镜4能够完全接收到快轴准直后的激光，且形成在高度方向上对不同COS2发出激光的独立准直，降低相互之间的干扰。
同时，基于不同COS2安装在不同高度的COS台阶21上，如果延续现有慢轴准直镜4的安装形式，即在相同平面上安装不同慢轴准直镜4，需要兼顾慢轴准直镜4对激光的完全接收以及安装高度的调整，在安装过程中需要精确控制，极大增加了操作难度，并且极难满足功能角度的需求。
慢轴准直镜安装阶梯40的设置，降低了慢轴准直镜4的安装难度，以相同尺寸的COS台阶21为前提，并结合COS2安装在COS台阶21的相同位置，通过将慢轴准直镜4安装在不同慢轴准直镜台阶41的相同位置上，能够使多对慢轴准直镜4与COS2之间的相对位置保持一致，保证不同COS2发出激光在准直过程中的一致性。
进一步地，COS焊接阶梯20与慢轴准直镜安装阶梯40紧贴布置，慢轴准直镜安装阶梯40的高度小于COS焊接阶梯20的高度，通过该种设置方式，增加了慢轴准直镜4的安装空间，提高了安装操作的便捷性。为了确保每个慢轴准直镜4对相对应的COS2发出激光准直的可靠性，COS焊接阶梯20的每个COS台阶21与慢轴准直镜安装阶梯40的每个慢轴准直镜台阶41位置相对，能够构成相对独立的准直关系，结合COS2的间隔设置，能够在最大程度上减少不同COS2之间激光的干扰，提高稳定性。
本发明中的电极包括插电电极6以及导电电极7，插电电极6直接焊接在壳体1的边框12上，利于安装。边框12由容置腔11的外围侧壁构成，在壳体1的侧壁上开设有用于安装插电电极6的电极安装孔13。导电电极7安装在慢轴准直镜安装阶梯40处，在慢轴准直镜安装阶梯40上设置有用于安装导电电极7的电极安装槽14，通过将导电电极7安装在慢轴准直镜安装阶梯40的电极安装槽14中，避免占用外部空间，有效缩小了激光器的体积。
除了上述COS焊接阶梯20以及慢轴准直镜安装阶梯40，本发明还包括相对应的反射镜安装阶梯50，反射镜5安装在反射镜安装阶梯50上，具体地，基于COS2发出激光需要依次经过快轴准直、慢轴准直以及反射，慢轴准直镜安装阶梯40设置在反射镜安装阶梯50与COS焊接阶梯20之间，且反射镜安装阶梯50与慢轴准直镜安装阶梯40紧贴设置，通过该种设置方式，能够保证激光光路的稳定精准。同时为了方便反射镜5在反射镜安装阶梯50上的安装，反射镜安装阶梯50的高度小于慢轴准直镜安装阶梯40的高度，能够在高度方向上提供更多的安装空间，降低反射镜5安装时的操作难度，并且保证了反射镜5在安装高度上的调整。
本发明中的反射镜安装阶梯50同样包括多个反射镜台阶51，每个反射镜台阶51与慢轴准直镜台阶41在水平方向上交错布置，且每个反射镜台阶51均包括用于安装反射镜5的倾斜侧壁52，进一步地，倾斜侧壁52在水平方向向外倾斜，且其延伸末端伸出于反射镜台阶51与慢轴准直镜台阶41的相接处，优选地倾斜侧壁52的延伸末端与慢轴准直镜4的安装位置相对，能够使慢轴准直镜4与反射镜5的位置相对应，确保激光在经过慢轴准直后进入反射镜5。
COS2发出激光在经过快轴准直后，以发散面的形式进入慢轴准直镜4，经过慢轴准直后以直线传输的形式通过反射镜5，在反射镜5的反射作用下垂直转换传输方向，需要将反射镜5以45°倾角的形式对激光进行反射。
基于上述的反射过程，反射镜5具体安装在反射镜台阶51的倾斜侧壁52上，且反射镜5的安装角度与倾斜侧壁52的倾斜角度相同。通过将每个倾斜侧壁52与慢轴准直镜安装阶梯40之间的夹角设置为45°，更优选地将每个倾斜侧壁52与每个慢轴准直镜台阶41之间的夹角设置为45°，能够使反射镜5以45°倾角的形式贴合在倾斜侧壁52上，保证反射镜5与慢轴准直镜4之间以45°夹角的状态进行安装，确保激光的垂直转向反射。
本发明中的COS焊接阶梯20、慢轴准直镜安装阶梯40以及反射镜安装阶梯50分别包括的COS台阶21、慢轴准直镜台阶41以及反射镜台阶51均包括弧形倒角，弧形倒角设置在不同阶梯之间的相交处。该种设置方式，一方面能够减小外形尺寸，方便COS2、准直镜以及反射镜5的安装，另一方面降低了结构复杂度，方便机件加工。
为了保证散热效果，以及降低整体壳体1的加工难度，本发明中的COS焊接阶梯20、慢轴准直镜安装阶梯40以及反射镜安装阶梯50均与壳体1为一体成型结构，壳体1的材质为高导热材料，优选紫铜等热导率高的金属，能够方便热量的向外传导，增强散热效果。
从减小外形体积的角度，本实施例中的壳体1在现有方形壳体1的基础上，对非功能组件的部位进行了切除，具体地，壳体1的横向截面为P形结构，缩减了壳体1的空间占地，方便将壳体1安装在制冷器上，实现对半导体激光器的散热。
本发明中半导体光纤耦合装置的发明原理在于，经COS2封装后的半导体激光器单管，直接焊接在带阶梯的壳体1上，无需通过单元热沉进行安装，该壳体1由高导热材料制成，如紫铜等，壳体1内部的容置腔11底部设置有COS焊接阶梯20，慢轴准直镜安装阶梯40，反射镜5阶梯，壳体1可直接放置在制冷器上（如通水冷板，TEC等），实现对半导体激光器的散热。壳体1底部相对于阶梯的台阶平面是倾斜的，保证COS焊接阶梯20热沉的每个台阶中心距离壳体1底面的距离相等，从而实现每个COS2的同等散热，并且每个COS台阶21间距大于COS2的宽度，有效拉开了相邻COS2的间距，有利于COS2的散热；壳体1内部COS2对应设置有慢轴准直镜安装阶梯40，可以保证慢轴准直镜4物料高度方向的一致性，并且慢轴准直镜安装阶梯40上开挖有安装导电电极7的电极安装槽14，可有效的利用空间，减小半导体激光器的体积；对应每个COS2还设置有相应的反射镜5阶梯，反射镜5阶梯的倾斜侧壁52呈45°排列，可有效的保证反射镜5的安装角度，并方便进行安装调整。
半导体光纤耦合装置具体包括壳体1的边框12、插电电极6、导电电极7、COS焊接阶梯20、慢轴准直镜安装阶梯40、电极安装槽14、反射镜安装阶梯50等。半导体单管封装成COS2后，直接焊接到COS焊接阶梯20上，对应COS焊接阶梯20有对应的慢轴准直镜安装阶梯40以及反射镜安装阶梯50，慢轴准直镜4安装在慢轴准直镜安装阶梯40上，反射镜5安装在反射镜安装阶梯50上，COS2发出的激光经过快轴准直镜3，慢轴准直镜4的准直后，经阶梯排列的反射镜5反射后实现空间合束排列，经耦合透镜8聚焦进入光纤。
插电电极6安装在壳体1边框12上，COS2直接安装在COS焊接阶梯20的COS台阶21上，COS台阶21间距大于COS2宽度，每个COS2中心距离壳体1散热底面距离相等，实现每个COS2同等有效的散热，每个COS2都安装有快轴准直镜3对单管发出的光进行快轴准直，再经安装在慢轴准直镜安装阶梯40上的慢轴准直镜4进行慢轴准直，再经安装在45°排列的反射镜安装阶梯50上的反射镜5的反射后，实现光束在空间方向的排列，经耦合透镜8的聚焦进入端帽光纤9中。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种半导体光纤耦合装置，其特征在于，包括：壳体，所述壳体包括用于安装COS、电极、准直镜以及反射镜的容置腔，所述容置腔的底部设置有COS焊接阶梯，所述COS直接安装在所述COS焊接阶梯的台阶上，所述壳体的底部设置有斜切面，所述斜切面相对所述台阶倾斜设置；
所述台阶包括多个，多个所述台阶相对水平面逐级倾斜延展，所述斜切面及所述COS焊接阶梯相对水平面之间的倾斜角度相同。
2.根据权利要求1所述的半导体光纤耦合装置，其特征在于，所述COS包括多个，所述COS与所述台阶一一对应，每个所述台阶的尺寸相同，相邻所述台阶的间距大于所述COS的宽度。
3.根据权利要求1或2所述的半导体光纤耦合装置，其特征在于，所述准直镜包括快轴准直镜及慢轴准直镜，所述快轴准直镜安装在所述COS的出光端面上，所述慢轴准直镜安装在慢轴准直镜安装阶梯上，所述慢轴准直镜安装阶梯与所述COS焊接阶梯对应设置。
4.根据权利要求3所述的半导体光纤耦合装置，其特征在于，所述COS焊接阶梯与所述慢轴准直镜安装阶梯紧贴布置，所述慢轴准直镜安装阶梯的高度小于所述COS焊接阶梯的高度，所述COS焊接阶梯的每个台阶与所述慢轴准直镜安装阶梯的每个台阶位置相对。
5.根据权利要求3所述的半导体光纤耦合装置，其特征在于，所述电极包括插电电极及导电电极，所述壳体的侧壁上开设有用于安装所述插电电极的电极安装孔，所述慢轴准直镜安装阶梯上设置有用于安装所述导电电极的电极安装槽。
6.根据权利要求3所述的半导体光纤耦合装置，其特征在于，所述反射镜安装在反射镜安装阶梯上，所述反射镜安装阶梯与所述慢轴准直镜安装阶梯紧贴设置，所述反射镜安装阶梯的高度小于所述慢轴准直镜安装阶梯的高度。
7.根据权利要求6所述的半导体光纤耦合装置，其特征在于，所述反射镜安装阶梯的每个台阶包括倾斜侧壁，每个所述倾斜侧壁与所述慢轴准直镜安装阶梯之间的夹角为45°，所述反射镜安装在所述倾斜侧壁上。
8.根据权利要求7所述的半导体光纤耦合装置，其特征在于，所述COS焊接阶梯、所述慢轴准直镜安装阶梯以及所述反射镜安装阶梯的每个台阶均包括弧形倒角，所述弧形倒角设置在不同阶梯之间的相交处。
9.根据权利要求7所述的半导体光纤耦合装置，其特征在于，所述COS焊接阶梯、所述慢轴准直镜安装阶梯以及所述反射镜安装阶梯均与所述壳体一体成型；
所述壳体的材质为紫铜，且其横向截面为P形。
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