CN114628994A - 一种双波长半导体激光模块及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例中提供一种双波长半导体激光模块，包括第一半导体波长激光器、电学串联热沉和第二半导体波长激光器，其中，第一波长大于第二波长，第一半导体波长激光器的P面和第二半导体波长激光器的P面分别安装在所述电学串联热沉的上表面和下表面，实现双波长激光器的输出功率控制，通过电学串联热沉将两个激光器的发光窗口距离减小至100微米以内，提高两个激光器的光场叠加比例，同时可将两个激光器的废热迅速导出，提高激光器件工作稳定性。本发明实施例还提供了一种双波长半导体激光模块的制备方法。

Description

一种双波长半导体激光模块及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种双波长半导体激光模块及其制备方法。

背景技术

半导体激光器是利用半导体材料作为增益介质而产生激光的器件，具有激光功率高、电光转换效率高、功耗低、体积小、重量轻、可直接电泵浦等优势，在激光显示、激光照明等领域具有广泛的应用前景。其中，激光照明是采用多种波长半导体激光器模块作为光源的一种照明方式，需要红光、绿光、蓝光等不同波长的可见激光按照一定比例进行光束叠加，形成满足特定场景照明需求的叠加光束。为保证多种波长光束的叠加效果，就对激光器件的光束质量和外部光路设计提出了较高的要求。

现有的多波长半导体激光模块主要包括单芯片双波长激光模块、基于反射单元的双波长激光模块、基于倍频晶体的双波长模块等多波长激光模块。尽管多波长半导体激光模块在提高输出功率、多光束耦合方面取得了很大的进步，但是各类型的多波长模块仍存在各种问题。单芯片双波长激光模块(中国专利申请200510072977.5)，通常在一个半导体激光芯片上设置具有细微差异的模式选择波导结构，如周期不同的布拉格光栅、刻蚀深度不同的布拉格光栅等，虽然可以实现双波长激光输出，但是输出的双波长间隔有限，通常低于20nm，一般用于波分复用等通信领域，在照明领域的应用有限。基于反射单元的双波长激光模块(中国专利申请201921471919.3、202111118088.3、202110508175.3)，通常采用两个以上半导体激光器，通过聚焦透镜和反射单元，如衍射光栅、反射镜等，将多路激光进行耦合，获得高功率的多波长激光束，但是其结构十分复杂，体积庞大，成本高昂，不能满足照明领域对小型化光源的需求。基于倍频晶体的双波长模块(中国专利申请专利202022495299.6)，通过采用基频光源、倍频晶体和光学元件构建光路，通过基频光源泵浦倍频晶体获得波长仅为基频波长1/2的倍频光，调整光学元件，实现基频光和倍频光的分别输出或者同时输出，实现多波长的激射。这种激光模块的输出波长与基频波长强相关，双波长光谱的可调节覆盖范围较小，同时倍频过程会降低模块整体的电光转换效率，不利于其在照明领域的应用。

常规的多波长激光模块，一般采用双波长半导体激光芯片或者复杂耦合光路实现多波长的激光输出，这就导致模块的输出波长间隔较小或者结构复杂、成本高昂等问题出现，上述问题严重影响多波长模块在激光照明领域的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例中提供一种双波长半导体激光模块及其制备方法。

第一方面，本发明提供一种双波长半导体激光模块，包括：第一半导体波长激光器、电学串联热沉和第二半导体波长激光器，其中，第一波长大于第二波长，所述第一半导体波长激光器的P面和所述第二半导体波长激光器的P面分别安装在所述电学串联热沉的上表面和下表面，所述第一半导体波长激光器和所述第二半导体波长激光器呈中轴对称分布，所述第一半导体波长激光器具有第一波长正极金属层和第一负极引线，所述第二半导体波长激光器具有第二波长正极金属层、第二波长负极金属层和第二负极引线，所述第二波长负极金属层和所述第二负极引线电连接，所述第一负极引线与所述第二波长正极金属层电连接。

作为一种可选的方案，所述电学串联热沉的材料为50-100微米的碳化硅、金刚石、氮化铝中任一种。

作为一种可选的方案，还包括模块整体正极和模块整体负极，所述模块整体正极与所述第一波长正极金属层电连接，所述模块整体负极与所述第二波长负极金属层电连接。

作为一种可选的方案，所述第一波长正极金属层由所述电学串联热沉一侧的下表面延伸到上表面，所述第二波长负极金属层由所述电学串联热沉另一侧的下表面延伸到上表面。

作为一种可选的方案，所述双波长半导体激光模块的材料体系为氮化镓GaN、砷化镓GaAs、磷化镓InP或锑化镓GaSb，激光波长的范围为400nm至2500nm。

作为一种可选的方案，所述第一负极引线和所述第二负极引线均采用金线。

第二方面，本发明提供一种双波长半导体激光模块的制备方法，所述双波长半导体激光模块包括第一半导体波长激光器、电学串联热沉和第二半导体波长激光器，第一波长大于第二波长，所述方法包括：

将所述第一半导体波长激光器和第二半导体波长激光器分别焊接在所述电学串联热沉的上表面和下表面。

本发明提供的双波长半导体激光模块，采用基于电学串联热沉封装结构的双波长光束叠加技术，解决了现有多波长激光模块的波长间隔较小和结构复杂、成本高昂的问题，根据各激光芯片工作时光束发散角以及散热需求，优化设计热沉厚度，使得各激光芯片发射的90％以上的光能量发生叠加，同时保证激光芯片的废热高效导出，实现多波长激光束的能量均匀叠加。

附图说明

图1为本发明实施例中提供一种双波长半导体激光模块的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供一种双波长半导体激光模块的侧视结构示意图；

图3为本发明实施例中提供一种双波长半导体激光模块的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例中提供一种双波长半导体激光模块的仰视结构示意图；

图5为本发明实施例中提供一种双波长半导体激光模块的主视结构示意图；

图6为本发明实施例中提供一种双波长半导体激光模块的光场叠加示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1至图6所示，本发明提供一种双波长半导体激光模块，包括：第一半导体波长激光器101、电学串联热沉102和第二半导体波长激光器103，其中，第一波长大于第二波长，所述第一半导体波长激光器101的P面和所述第二半导体波长激光器103的P面分别安装在所述电学串联热沉102的上表面和下表面，所述第一半导体波长激光器101和所述第二半导体波长激光器103呈中轴对称分布，所述第一半导体波长激光器101具有第一波长正极金属层202和第一负极引线203，所述第二半导体波长激光器103具有第二波长正极金属层204、第二波长负极金属层201和第二负极引线205，所述第二波长负极金属层201和所述第二负极引线205电连接，所述第一负极引线203与所述第二波长正极金属层204电连接。

结合图1至6所示，在一些实施例中，第一半导体波长激光器101采用长波长半导体激光器，第二半导体波长激光器103采用短波长半导体激光器，具体地，双波长半导体激光模块包括：沿Z方向自上而下依次为长波长半导体激光器、电学串联热沉102、短波长半导体激光器构成，两个半导体激光器通过金丝和热沉表面的图形化金属层，形成电学串联结构的双波长半导体激光模块。

可选地，所述电学串联热沉的材料为50-100微米的碳化硅、金刚石、氮化铝中任一种。

可选地，还包括模块整体正极301和模块整体负极302，所述模块整体正极301与所述第一波长正极金属层202电连接，所述模块整体负极302与所述第二波长负极金属层201电连接。

可选地，所述第一波长正极金属层202由所述电学串联热沉102一侧的下表面延伸到上表面，所述第二波长负极金属层201由所述电学串联热沉102另一侧的下表面延伸到上表面。

可选地，所述双波长半导体激光模块的材料体系为氮化镓GaN、砷化镓GaAs、磷化镓InP或锑化镓GaSb，激光波长的范围为400nm至2500nm。

可选地，所述第一负极引线203和所述第二负极引线205均采用金线。

双波长半导体激光模块包括第一波长半导体激光器101、电学串联热沉102、第二短波长半导体激光器103构成，所述激光模块结构沿Z方向依次排布，各部分功能如下：第一波长半导体激光器101、第二短波长半导体激光器103作为激光发射器件，发射波长可选的范围为400nm-2500nm，两个半导体激光器的P面分别焊接在电学串联热沉102的上表面和下表面，呈中轴对称分布，并通过电学串联热沉102表面电极金属层和金丝引线，构建成半导体激光串联线阵，利用模块整体正极301和模块整体负极302作为电流出入接口，调控注入电流，保障不同波长激光的电压需求，不同半导体波长激光器的半导体材料的能量带隙不同，开始工作的开启电压差别很大，实现双半导体波长激光器的输出功率控制，通过电学串联热沉102将两个激光器的发光窗口距离减小至100微米以内，提高两个激光器的光场叠加比例，同时可将两个激光器的废热迅速导出，提高激光器件工作稳定性。

结合图1至6所示，本发明提供一种双波长半导体激光模块的制备方法，所述双波长半导体激光模块包括第一半导体波长激光器、电学串联热沉和第二半导体波长激光器，第一波长大于第二波长，所述方法包括：

将所述第一半导体波长激光器和第二半导体波长激光器分别焊接在所述电学串联热沉的上表面和下表面。

结合图5和6所示，基于电学串联热沉封装结构的双波长半导体激光模块，其制作过程如下：本实施例中，半导体激光器的材料体系可选为氮化镓GaN、砷化镓GaAs、磷化镓InP或锑化镓GaSb，激光波长可选为400nm-2500nm，但不限于上述材料和激光波长。激光模块结构为第一波长半导体激光器101、电学串联热沉102和第二波长半导体激光器103组成。第一波长半导体激光器101和第二波长半导体激光器103分别焊接在电学串联热沉102的上表面和下表面，均为P面焊接到热沉表面，通过电学串联热沉102的厚度和材料选择，如50-100微米的碳化硅、金刚石、氮化铝等材料，可以有效将激光器产生的废热通过电学串联热沉102传导出去，同时两个激光器的出光窗口距离可以减小到60-110微米，当两个激光器的发射激光快轴发散角为60°时，两个激光器的激光束在传输2mm时，会有95％以上的能量发成空间叠加。这种空间叠加的激光束再经过后续的准直和扩束后，会形成能量分布均匀的双波长光斑，为激光照明领域提供了一种结构简单的新型双波长激光模块技术方案。

本发明提供的双波长半导体激光模块，采用基于电学串联热沉封装结构的双波长光束叠加技术，解决了现有多波长激光模块的波长间隔较小和结构复杂、成本高昂的问题，根据各激光芯片工作时光束发散角以及散热需求，优化设计热沉厚度，使得各激光芯片发射的90％以上的光能量发生叠加，同时保证激光芯片的废热高效导出，实现多波长激光束的能量均匀叠加。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双波长半导体激光模块，其特征在于，包括：第一半导体波长激光器、电学串联热沉和第二半导体波长激光器，其中，第一波长大于第二波长，所述第一半导体波长激光器的P面和所述第二半导体波长激光器的P面分别安装在所述电学串联热沉的上表面和下表面，所述第一半导体波长激光器和所述第二半导体波长激光器呈中轴对称分布，所述第一半导体波长激光器具有第一波长正极金属层和第一负极引线，所述第二半导体波长激光器具有第二波长正极金属层、第二波长负极金属层和第二负极引线，所述第二波长负极金属层和所述第二负极引线电连接，所述第一负极引线与所述第二波长正极金属层电连接。

2.根据权利要求1所述的双波长半导体激光模块，其特征在于，所述电学串联热沉的材料为50-100微米的碳化硅、金刚石、氮化铝中任一种。

3.根据权利要求1所述的双波长半导体激光模块，其特征在于，还包括模块整体正极和模块整体负极，所述模块整体正极与所述第一波长正极金属层电连接，所述模块整体负极与所述第二波长负极金属层电连接。

4.根据权利要求1所述的双波长半导体激光模块，其特征在于，所述第一波长正极金属层由所述电学串联热沉一侧的下表面延伸到上表面，所述第二波长负极金属层由所述电学串联热沉另一侧的下表面延伸到上表面。

5.根据权利要求1所述的双波长半导体激光模块，其特征在于，所述双波长半导体激光模块的材料体系为氮化镓GaN、砷化镓GaAs、磷化镓InP或锑化镓GaSb，激光波长的范围为400nm至2500nm。

6.根据权利要求1所述的双波长半导体激光模块，其特征在于，所述第一负极引线和所述第二负极引线均采用金线。

7.一种双波长半导体激光模块的制备方法，其特征在于，所述双波长半导体激光模块包括第一半导体波长激光器、电学串联热沉和第二半导体波长激光器，第一波长大于第二波长，所述方法包括：

将所述第一半导体波长激光器和第二半导体波长激光器分别焊接在所述电学串联热沉的上表面和下表面。

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