CN114883910A - 一种基于to封装多单管的半导体激光器模块 - Google Patents

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刘子铭
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Abstract

本发明提供一种基于TO封装多单管的半导体激光器模块，涉及半导体激光器技术领域，包括基座和基座同一平面上的多个TO封装单管，多个TO封装单管分奇数路排布；快轴准直镜设于TO封装单管内，每个TO封装单管沿光路依次设置慢轴准直镜、反射镜；基座上还依次设有光学转向元件、光学压缩元件和聚焦透镜组；快轴准直镜、慢轴准直镜依次对对应TO封装单管发出的光束进行准直，再由反射镜反射至光学转向元件进行转向，转向后的光束光学压缩元件进行压缩、合束，最后经聚焦透镜组耦合进光纤。本发明为绿光波段的单管采用TO封装，摒弃传统机械台阶结构，解决快轴准直镜应用、光束密集排布及合束等难题，提高半导体激光器模块输出功率。

Description

一种基于TO封装多单管的半导体激光器模块
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其是涉及一种基于TO封装多单管的半导体激光器模块。
背景技术
半导体激光器自发明以来，凭借着其自身高稳定性、高光电转换效率、体积小等优势被广泛地应用在各个领域。近年来，高功率绿光半导体激光器的需求在不断增长，但是高功率绿光半导体激光器却鲜有报道。
目前，常见单管的封装形式有：C-mount、COS、CT-mount、F-mount、TO等。红外波段的单管管芯在空气中工作寿命不会受到较大影响，为了兼顾散热能力常选用前四种封装形式。在绿光波段，单管管芯在空气中工作寿命会极大缩短，因此选用TO封装这种较好的密封形式。
基于以上，现有技术存在着一些问题：首先，由于TO封装较大外形尺寸的限制，各个单管之间无法进行密布排列，进而空间合束存在困难；其次，TO封装中单管管芯的出光面到TO封装窗口片的距离(几毫米)远大于目前市面上多数常用的快轴准直镜的工作距(几十微米到几百微米之间)，该种情况下光束发散产生光斑尺寸较大；再者，对于TO封装采用较为普遍的机械台阶结构进行空间合束并不合适，即会降低散热能力，又会对机械加工精度提出严格的要求，使得成本提高。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于TO封装多单管的半导体激光器模块，为绿光波段的单管采用TO封装，摒弃传统机械台阶结构，保证单管寿命、散热能力，解决快轴准直镜应用、光束密集排布及合束等难题，提高半导体激光器模块输出功率。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于TO封装多单管的半导体激光器模块，包括：基座和设于所述基座上位于同一平面的多个TO封装单管，多个所述TO封装单管分奇数路均匀排布，且每路所述TO封装单管的数量相同；
每个所述TO封装单管内对应单管管芯出光位置均设有快轴准直镜，每个所述TO封装单管上方沿光路均通过透镜支架依次设置有慢轴准直镜和反射镜；所述基座上沿所述反射镜反射光路方向还依次设置有光学转向元件、光学压缩元件和聚焦透镜组；
所述快轴准直镜、慢轴准直镜依次对对应的所述TO封装单管内单管管芯发出的光束进行准直，再由所述反射镜反射至所述光学转向元件进行转向，转向后的光束除中心路外均经所述光学压缩元件进行光束的压缩，再与中心路光束合束，最后经所述聚焦透镜组耦合进光纤。
作为本发明的进一步改进，所述TO封装单管奇数路排布的方向为慢轴方向，每路中多只所述TO封装单管排布方向为快轴方向；
所述基座上沿快轴方向，相邻所述TO封装单管之间、边界处所述TO封装单管外侧均设有所述透镜支架，多个所述透镜支架均垂直固定在所述基座上，高度一致，且相邻两所述透镜支架之间均相隔指定距离。
作为本发明的进一步改进，所述慢轴准直镜固定于所述TO封装单管正上方，且所述慢轴准直镜中心位于所述TO封装单管出射光的中心。
作为本发明的进一步改进，所述反射镜倾斜设置于所述透镜支架上表面，对经过快轴准直镜、慢轴准直镜准直后的所有光束在空间内进行光束密集排布反射，均反射至所述光学转向元件。
作为本发明的进一步改进，所述反射镜与基座平面间夹角大于45°小于90°，经所述反射镜反射的光束与所述基座平面的夹角大于0°小于45°；
调节所述反射镜与基座平面间夹角，对反射的光束在快轴方向的距离进行调节。
作为本发明的进一步改进，所述光学转向元件为透射式，将各所述反射镜反射的光束在快轴方向进行转向，使转向后的光束均与基座平面平行、各路之间整体相互平行、每路中各光束间相互平行。
作为本发明的进一步改进，所述光学压缩元件为反射式或折射式，所述光学压缩元件对中心路以外的所述TO封装单管的光束进行光束的压缩，所述压缩后的光束与中心路所述TO封装单管的光束进行合束后应在同一水平高度内。
作为本发明的进一步改进，所述聚焦透镜组内包含一个或多个光学元件，通光尺寸均大于或等于合束后光束尺寸，所镀绿光波段增透膜的透射率均大于99％。
作为本发明的进一步改进，所述聚焦透镜组将合束后的光束聚焦于一点，聚焦后的光束在快轴方向、慢轴方向的尺寸均小于所述光纤的芯径、数值孔径均小于所述光纤的数值孔径。
作为本发明的进一步改进，所有所述TO封装单管的激光波长均在绿光波段，所述光纤端面镀有绿光波段增透膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明中采用TO封装避免单管管芯在空气中工作影响寿命，所有TO封装单管基于同一水平面，取代了传统的机械台阶，对机械加工精度、物料的特殊加工要求大大降低，节约了时间和制造成本，同时消除了传统机械台阶对半导体激光器散热能力的影响；本发明将快轴准直镜设置于单管内，单管快轴方向光斑尺寸得以有效的减小，提升了光束质量，减轻整体光路设计的复杂程度，有效减少了模块内部的空间，具有体积小，便于运输的优点；本发明通过光学压缩元件起到对慢轴方向的光束进行压缩的作用，克服了TO封装单管之间无法密集排布的缺点，提升耦合效率，提高半导体激光模块输出功率。
本发明通过反射镜将每路准直后的光束在空间内进行密集排布，反射镜与光学转向元件相互的配合可以更易于完成光束沿平行于基座平面方向传播，装调的灵活性有了更大的提升，为后续耦合进光纤创造便利条件。
本发明快轴方向各个的光束之间的间距可以通过反射镜的倾斜角度调节，提升了装调的灵活性。
附图说明
图1为本发明实施例1公开的基于TO封装多单管的半导体激光器模块立体结构图；
图2为本发明实施例1公开的基于TO封装多单管的半导体激光器模块立体结构分解图；
图3为本发明实施例1公开的基于TO封装多单管的半导体激光器模块侧式图；
图4为本发明实施例1公开的基于TO封装多单管的半导体激光器模块俯视图；
图5为本发明实施例2公开的基于TO封装多单管的半导体激光器模块立体结构图；
图6为本发明实施例2公开的基于TO封装多单管的半导体激光器模块立体结构分解图；
图7为本发明实施例2公开的基于TO封装多单管的半导体激光器模块侧式图；
图8为本发明实施例2公开的基于TO封装多单管的半导体激光器模块俯视图。
附图标记说明：
1、基座；2、透镜支架；3、TO封装单管；3-1、TO封装单管管帽；3-2、TO封装单管管芯；3-3、TO封装单管管座；4、慢轴准直镜；5、反射镜；6、光学转向元件；7、光学压缩元件；8、聚焦透镜组；8-1、快轴方向聚焦透镜；8-2、慢轴方向聚焦透镜；9、光纤；10、安装槽；11、快轴准直镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1-8所示，本发明提供的一种基于TO封装多单管的半导体激光器模块，包括：基座1，基座1设置有两级台阶，第一级台阶上设于同一平面的多个TO封装单管3，多个TO封装单管3波长均在绿光范围内，有源区宽度在15μm，分A路均匀排布，且每路TO封装单管3的数量B相同，其中，A和B均为大于或等于1的正整数，且A为奇数；相邻TO封装单管3之间相隔指定距离，沿A路排布方向为慢轴方向，沿每路中所包含的B只单管方向为快轴方向。
每个TO封装单管3内对应单管管芯出光位置均设有快轴准直镜11，快轴准直镜11通过粘接方式固定在TO封装单管3中管芯出光位置正前方，基座1上沿快轴方向，相邻TO封装单管3之间、边界处TO封装单管3外侧均设有透镜支架2，共B+1个，多个透镜支架2均垂直固定在基座1上，高度一致，且相邻两透镜支架2之间均相隔指定距离；每个TO封装单管3上方沿光路均通过透镜支架2依次设置有慢轴准直镜4和反射镜5，慢轴准直镜4固定于TO封装单管3正上方，且慢轴准直镜4中心位于TO封装单管3出射光的中心，反射镜5倾斜设置于透镜支架2上表面；基座1的第二级台阶上沿反射镜5反射光路方向还依次竖直设置有光学转向元件6、光学压缩元件7和聚焦透镜组8；
快轴准直镜11、慢轴准直镜4依次对对应的TO封装单管3内单管管芯发出的光束进行准直，准直后的A×B束光束经反射镜5在空间内进行光束密集排布反射，到达光学转向元件6进行转向，转向后的光束除中心路外均经光学压缩元件7进行光束的压缩，再与中心路光束合束，最后经聚焦透镜组8耦合进光纤9。
进一步的，
本发明反射镜5与基座1平面间夹角大于45°小于90°，经反射镜5反射的光束与基座1平面的夹角大于0°小于45°，反射镜5对后方反射的光束不遮挡；调节反射镜5与基座1平面间夹角，对反射的光束在快轴方向的距离进行调节。
本发明光学转向元件6为透射式，将各反射镜5反射的光束在快轴方向进行转向，使转向后的光束均与基座1平面平行、各路之间整体相互平行、每路中各光束间相互平行。
本发明光学压缩元件7为反射式或折射式，光学压缩元件7对中心路以外的TO封装单管3的光束进行光束的压缩，压缩后的光束与中心路TO封装单管3的光束进行合束后应在同一水平高度内。
本发明聚焦透镜组8内包含一个或多个光学元件，通光尺寸均大于或等于合束后光束尺寸，所镀绿光波段增透膜的透射率均大于99％，如依次设置快轴方向聚焦透镜8-1、慢轴方向聚焦透镜8-2；聚焦透镜组8将合束后的光束聚焦于一点，聚焦后的光束在快轴方向、慢轴方向的尺寸均小于光纤9的芯径、数值孔径均小于光纤9的数值孔径。
本发明中光纤9的芯径为50μm-400μm，数值孔径小于等于0.22，光纤9端面镀有绿光波段增透膜。
实施例1：
如图1-4所示，为本实施例公开了一种基于TO封装多单管的半导体激光器模块。包括基座1、透镜支架2、TO封装单管3、TO封装单管管帽3-1、TO封装单管管芯3-2、TO封装单管管座3-3、慢轴准直镜4、反射镜5、光学转向元件6、光学压缩元件7、聚焦透镜组8、快轴方向聚焦透镜8-1、慢轴方向聚焦透镜8-2、光纤9、安装槽10、快轴准直镜11。
在本实施例中，TO封装单管3设置于基座1上的安装槽10中，每个TO封装单管管芯3-2出射的光束依次经过与之对应的快轴准直镜11和慢轴准直镜4，快轴准直镜11对TO封装单管管芯3-2出射光束的快轴方向进行准直，慢轴准直镜4对TO封装单管管芯3-2出射光束的慢轴方向进行准直，经过快、慢轴准直镜准直后的每个光束由相对应的反射镜5进行反射，光学转向元件6将反射光束进行转向，转向后光束的方向与基座1平面相平行，光学压缩元件7对中心路以外的TO封装单管3转向后的光束进行压缩，压缩后的光束与中心路TO封装单管3光束经由聚焦透镜组8耦合进光纤9。
其中，
设置于基座1上安装槽10中的TO封装单管3的波长在绿光范围内，TO封装单管管芯3-2的有源区宽度在15μm，TO封装单管3共分为3路，每路TO封装单管3包含6只，相邻单管之间相隔指定距离，沿3路排布方向为TO封装单管3慢轴方向，沿每路中所包含的6只TO封装单管3方向为单管快轴方向。
快轴准直镜11设置于每个TO封装单管3内，通过粘接方式固定在TO封装单管管芯3-2出光位置正前方，快轴准直镜11的数值孔径需要大于等于TO封装单管3快轴方向的光束数值孔径，TO封装单管管帽3-1在与TO封装单管管座3-3完成密封后应对快轴准直镜11不产生任何干涉。
基座1上设置有7个透镜支架7，慢轴准直镜4和反射镜5固定在透镜支架7上，相邻透镜支架7之间相隔指定距离，慢轴准直镜4和反射镜5与各TO封装单管3一一对应，慢轴准直镜4中心设置于TO封装单管3的出射光中心。位于同一平面上相互平行的反射镜5为平面反射镜，反射镜5与基座1平面间夹角大于45°小于90°，反射镜5对经过快慢轴方向准直后3x6束的光束在空间内进行光束密集排布反射，反射镜5对后方反射的光束不应遮挡，快轴方向各个光束之间的间距可以通过反射镜5的倾斜角度调节。反射的光束与基座1平面成大于0°小于45°的夹角。
光学转向元件6为光楔，将反射光束在快轴方向进行转向，转向后光束的方向与基座1平面相平行，光束中各路之间整体相互平行，每路中各个光束间相互平行，光学转向元件6的尺寸应大于等于反射光束尺寸，光楔入射光一面带有一定倾斜角度，该角度可以决定反射光束的转向角度，依据公式：n/n1＝sinθ/sin(θ+α)可以确定，其中，n为空气折射率，n1为光学转向元件6的折射率，θ为光楔入射光面的倾斜角度，α为光束相对基座1平面的倾斜角度。
设置在基座1上的光学压缩元件7为斜方棱镜，采用反射式压缩光束，斜方棱镜两个反射光束的平行面镀有绿光波段全反膜，光学压缩元件7对中心路以外的2路TO封装单管3光束进行光束压缩，压缩后的光束与中心路单管的光束进行合束后应在同一水平高度内。
基座1上还设置有聚焦透镜组8，聚焦透镜组8包含快轴方向聚焦透镜8-1和慢轴方向聚焦透镜8-2，聚焦透镜8-1和慢轴方向聚焦透镜8-2为球面柱面镜或非球面柱面镜，其通光尺寸大于合束后光束尺寸，所镀绿光波段增透膜的透射率大于99％，聚焦透镜组8将合束后光束聚焦于一点，聚焦透镜组8聚焦光束快轴方向、慢轴方向的尺寸小于光纤9的芯径，聚焦光束的快轴方向、慢轴方向的数值孔径小于光纤9的数值孔径，光纤9的芯径为50μm-400μm，数值孔径小于等于0.22，光纤端面镀有绿光波段增透膜。
实施例2：
如图5-8所示，为本实施例公开了一种基于TO封装多单管的半导体激光器模块。
本实施例中与实施例1不同的是，设置在基座1上的光学压缩元件7仍为斜方棱镜，但采用折射式压缩光束，在光束入射面和出射面镀有绿光波段增透膜，入射光束与出射光束移动的距离由公式：
Figure BDA0003622303290000071
Figure BDA0003622303290000072
决定，其中X为光束移动距离，β为相互平行的入射面与出射面相对底边的倾角，L为长度，n为斜方棱镜折射率。通过对β、L、n的选择，可以对移动距离X实现压缩，对中心路以外的2路TO封装单管3光束与中心路光束的间隔减小，压缩后的光束与中心路单管的光束进行合束后应在同一水平高度内。
本发明的优点：
本发明中采用TO封装避免单管管芯在空气中工作影响寿命，所有TO封装单管基于同一水平面，取代了传统的机械台阶，对机械加工精度、物料的特殊加工要求大大降低，节约了时间和制造成本，同时消除了传统机械台阶对半导体激光器散热能力的影响；本发明将快轴准直镜设置于单管内，单管快轴方向光斑尺寸得以有效的减小，提升了光束质量，减轻整体光路设计的复杂程度，有效减少了模块内部的空间，具有体积小，便于运输的优点；本发明通过光学压缩元件起到对慢轴方向的光束进行压缩的作用，克服了TO封装单管之间无法密集排布的缺点，提升耦合效率，提高半导体激光模块输出功率。
本发明通过反射镜将每路准直后的光束在空间内进行密集排布，反射镜与光学转向元件相互的配合可以更易于完成光束沿平行于基座平面方向传播，装调的灵活性有了更大的提升，为后续耦合进光纤创造便利条件。
本发明快轴方向各个的光束之间的间距可以通过反射镜的倾斜角度调节，提升了装调的灵活性。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于TO封装多单管的半导体激光器模块，其特征在于，包括：基座和设于所述基座上位于同一平面的多个TO封装单管，多个所述TO封装单管分奇数路均匀排布，且每路所述TO封装单管的数量相同；
每个所述TO封装单管内对应单管管芯出光位置均设有快轴准直镜，每个所述TO封装单管上方沿光路均通过透镜支架依次设置有慢轴准直镜和反射镜；所述基座上沿所述反射镜反射光路方向还依次设置有光学转向元件、光学压缩元件和聚焦透镜组；
所述快轴准直镜、慢轴准直镜依次对对应的所述TO封装单管内单管管芯发出的光束进行准直，再由所述反射镜反射至所述光学转向元件进行转向，转向后的光束除中心路外均经所述光学压缩元件进行光束的压缩，再与中心路光束合束，最后经所述聚焦透镜组耦合进光纤。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器模块，其特征在于：所述TO封装单管奇数路排布的方向为慢轴方向，每路中多只所述TO封装单管排布方向为快轴方向；
所述基座上沿快轴方向，相邻所述TO封装单管之间、边界处所述TO封装单管外侧均设有所述透镜支架，多个所述透镜支架均垂直固定在所述基座上，高度一致，且相邻两所述透镜支架之间均相隔指定距离。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器模块，其特征在于：所述慢轴准直镜固定于所述TO封装单管正上方，且所述慢轴准直镜中心位于所述TO封装单管出射光的中心。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器模块，其特征在于：所述反射镜倾斜设置于所述透镜支架上表面，对经过快轴准直镜、慢轴准直镜准直后的所有光束在空间内进行光束密集排布反射，均反射至所述光学转向元件。
5.根据权利要求2所述的半导体激光器模块，其特征在于：所述反射镜与基座平面间夹角大于45°小于90°，经所述反射镜反射的光束与所述基座平面的夹角大于0°小于45°；
调节所述反射镜与基座平面间夹角，对反射的光束在快轴方向的距离进行调节。
6.根据权利要求2所述的半导体激光器模块，其特征在于：所述光学转向元件为透射式，将各所述反射镜反射的光束在快轴方向进行转向，使转向后的光束均与基座平面平行、各路之间整体相互平行、每路中各光束间相互平行。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器模块，其特征在于：所述光学压缩元件为反射式或折射式，所述光学压缩元件对中心路以外的所述TO封装单管的光束进行光束的压缩，所述压缩后的光束与中心路所述TO封装单管的光束进行合束后应在同一水平高度内。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器模块，其特征在于：所述聚焦透镜组内包含一个或多个光学元件，通光尺寸均大于或等于合束后光束尺寸，所镀绿光波段增透膜的透射率均大于99％。
9.根据权利要求2所述的半导体激光器模块，其特征在于：所述聚焦透镜组将合束后的光束聚焦于一点，聚焦后的光束在快轴方向、慢轴方向的尺寸均小于所述光纤的芯径、数值孔径均小于所述光纤的数值孔径。
10.根据权利要求1所述的半导体激光器模块，其特征在于：所有所述TO封装单管的激光波长均在绿光波段，所述光纤端面镀有绿光波段增透膜。
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