CN201797230U - To封装的微型宽温固体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种TO封装的微型宽温固体激光器，涉及二极管泵浦固体激光器技术领域。具体指TO封装方式、微型化、工作温度范围超宽的二极管泵浦固体激光器。包括二极管激光器(201)内置温度监测和控制装置(202)；承接热沉(203)上固定有光学耦合元件(204)、微片式激光腔体(205)、PD探测器(206)、导通PD与二极管激光器Pin脚的引线(207)，承接热沉(203)焊接在二极管激光器(201)的基底上；带窗口片(209)的管壳(208)焊接在承接热沉(203)的基底上或二极管激光器(201)的基底上。采用TO封装工艺，可靠性高、气密性好、体积小；宽温工作范围；可实现自动化，适合大批量生产。

Description

TO封装的微型宽温固体激光器

技术领域

本实用新型涉及二极管泵浦固体激光器技术领域，特别是一种采用的TO封装方式的、微型化的、工作温度范围超宽的、具有高可靠性的二极管泵浦固体激光器。该种二极管泵浦固体激光器的主要封装工序可实现全自动化，适合大批量生产。

背景技术

二极管泵浦固体激光器采用输出固定波长的二极管激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，极大的提高了固体激光器的寿命、光光转换效率，使得固体激光器便于小型化设计。在二级管泵浦固体激光器中加入倍频或光参量放大晶体，还能得到很多二极管激光器目前不能实现的可见光波段的激光输出。因此二极管泵浦固体激光器被广泛的应用于生物检测、军事、建筑测量、显示、机器视觉等方面。目前的二极管泵浦固体激光器没有像二极管激光器那样统一的封装标准，体积只能算是小型化，可靠性不高，不能满足某些特殊要求的应用，比如枪械瞄准器、便携式投影显示等。

在先技术微型封装的绿光激光器(专利号：CN2667747Y)，是一种典型的微型封装的二极管泵浦固体激光器(如附图1所示)：包括热沉1001、二极管激光芯片1002、由激光增益介质1003和光学倍频晶体1004合成的绿光激光器微片、输出滤光片1005、功率监测装置1006和二极管激光器管壳1007。二极管激光芯片1002固定在热沉1001上，它发出的808nm的激光泵浦增益介质1003，产生1064nm的基频光，1064nm的基频光通过光学倍频晶体1004产生532nm的绿光，输出滤光片1005反射一定比例的绿光到功率检测装置1006(包括光电探测器和滤光片，保证1006只响应532nm的绿光)，使之能实现绿光输出的APC(恒功率)控制，同时，输出滤光片1005透过绝大部分的绿光，吸收掉残留的红外光。上述元件均以二极管激光器管壳1007作为承接并固定于其上。这种微型二极管泵浦固体激光器结构简单，体积小，但是也有明显的不足：

1.除二极管激光芯片、功率检测装置外，所有元件均以二极管激光器管壳为承接，并固定于其上，这意味着若有碰撞或冲击的状况发生，激光器内部元件相当于直接被作用，没有缓冲；所有元件的基座(用来保证元件高度与二极管激光芯片高度一致)都要加工一个弧面，成本较高；而且要将这些元件依次固定在二极管激光器管壳弧形内壁上，并保证元件之间距离的精确性，操作难度较大，费工时，不利于大批量生产。

2.激光器内不涉及温度探测和控制元件，而泵浦用的二极管激光器的输出波长会随温度变化，会导致整个激光器的输出不稳定或模式变化，很难保证激光器有较宽的工作温度范围。

同时，市场上的二极管泵浦固体激光器产品一般都固有以下两个缺点：

1.激光器的激光晶体和光学件固定、激光器的整体密封都使用胶。使用胶固定或密封的缺点在于，它会挥发气体，污染激光晶体和光学件表面，导致激光输出功率的降低；而且时间越久，激光器整体的气密程度越差。

2.二极管泵浦固体激光器与标准封装的红光、蓝光二极管激光器相比，结构较为复杂，封装形式多样，没有标准化，使用时必须对它的装配、散热做出特别的设计，可替换性差。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种微型化且采用二极管激光器的标准封装形式(TO Can)封装的二极管泵浦固体激光器。一种TO封装的微型化、具有超宽工作温度范围和高可靠性的二极管泵浦固体激光器，其组成部分包括：未封装的二极管激光器、温度监测和控制装置、承接热沉、光学耦合元件、由激光增益介质、波片和倍频晶体或光学参量振荡晶体合成的微片式激光腔体、PD探测器、导通PD与二极管激光器Pin脚的引线、带窗口片的管壳。

其特点：

所述的二极管激光器为TO封装方式，其基底上没有封装管壳，至少有4根及4根以上Pin脚；在其突出的固定二极管激光芯片的矩形热沉下面安装温度监测和控制装置。

所述的温度监测和控制装置包括一个两极镀金的贴片热敏电阻和一个两极镀金的贴片加热电阻或微型半导体制冷片或其它微型温控器件。热敏电阻作为传感器，监测二极管激光芯片的温度；贴片加热电阻或其它微型温控器件在外围电路的指导下对半导体芯片进行温控。

所述的承接热沉，作为载体，上面固定所述的光学耦合元件、由激光增益介质、波片和非线性晶体合成的微片式激光腔、PD探测器、导通PD与二极管激光器Pin脚的引线。承接热沉基底的底面设计成平面或者平面上有环形尖角，承接热沉焊接二极管激光器的基底上。

所述的光学耦合元件，焊接在承接热沉上。

所述的微片式激光腔，由非线性晶体、激光增益介质和其它光学件三部分胶合成一个整体。微片的泵浦光入射端，即非线性晶体的前表面，对泵浦光镀增透膜，对基频光和输出的激光镀高反膜；微片的输出端，即其它光学件的后表面，对输出的激光镀增透膜，对基频光镀高反膜。微片式激光腔焊接在承接热沉上。

所述的PD探测器，为磷化镓材质的PD探测器，只响应可见光波段的光，底面负极镀金，用低温焊锡焊接在承接热沉上，所以PD的负极与二极管激光器的正极Pin脚共极。

所述的导通PD与二极管激光器Pin脚的引线，焊接在承接热沉上；它与承接热沉之间绝缘。引线的前端与PD探测器的正极用金线连接，引线的后端用金线与二极管激光器的一根Pin脚连接。

所述的带窗口片的管壳，管壳的顶端有斜开的沉孔，沉孔倾斜的角度保证固定在里面的窗口片能将输出的激光反射到PD探测器上。管壳末端的底面设计有突出的环状尖脚或者为平面，焊接到承接热沉的基底表面上或者二极管激光器的基底上。所述的窗口片焊接在管壳顶端斜开的沉孔里，既作为输出保护窗口，也作为激光功率稳定反馈系统的反馈片。窗口片的入射表面对基频光和泵浦光镀高反膜，对输出的激光镀一定反射比例的膜，窗口片的出射表面对输出的激光长镀高透膜。

本实用新型激光器宽温工作的原理：选择某设定温度下输出的中心波长小于激光增益介质吸收带宽的最小波长的二极管激光芯片。当工作温度大于此设定温度时，二极管激光芯片输出的中心波长变长，正好处于激光增益介质的吸收带宽内，以此保证高温环境下固体激光器的功率输出。当工作温度低于某设定点温度时，热敏电阻探测到二极管激光芯片的温度下降，通过外围比较电路，控制加热电阻或其它微型温控器件，提升二极管激光芯片的温度，使二极管激光芯片输出的中心波长重回激光增益介质的吸收带宽内。当芯片温度回升到设定点后，断开加热电阻或其它微型温控器件，停止加热，以保证低温环境下固体激光器的功率输出。

与在先技术相比，本实用新型的技术效果如下：

1.光学耦合元件、微片式激光腔、PD探测器、导通PD与二极管激光器Pin脚的引线固定在承接热沉上，组装方便。焊接到承接热沉上或二极管激光器基底上的管壳对其有保护作用，抗冲击。

2.激光器内置有温度监测和控制装置，可以保证激光器有-40℃到80℃的超宽工作温度范围。

3.光学、晶体元件采用焊接工艺固定，无胶污染。二极管激光器与承接热沉之间，管壳与承接热沉或二极管激光器之间都采用焊接的固定方式，可靠性高，气密性好，可实现自动化封装，适合大批量生产。

4.采用二极管激光器的标准封装(TO 56、TO 9等)，可替换性好。

5.窗口片同时作为功率反馈系统的反馈片，且阻挡了红外光的输出，省掉了一般二极管泵浦固体激光器所需要的反馈片和滤光片(吸收红外光，阻止其输出)，结构紧凑，体积小。激光器的尺寸可做到直径5.6mm，长度13.6mm，甚至更小。

附图说明

图1为在先技术微型封装的绿光激光器示意图；

图2为本实用新型TO封装的微型宽温固体激光器的具体实施例的结构剖面图；

图3为本实用新型TO封装的微型宽温固体激光器的具体实施例的二极管激光器Pin脚定义图；

图4为本实用新型TO封装的微型宽温固体激光器的实施例的温度监测和控制原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述

本实用新型一个实施例的结构剖面图(如附图2所示)，主要包括：二极管激光器201、光学耦合元件204、微片式激光腔体205，其特点，还包括温度监测和控制装置202、承接热沉203、PD探测器206、导通PD与二极管激光器Pin脚的引线207、带窗口片的管壳208。

其中，所述的二极管激光器201为50℃输出中心波长800nm的二极管激光器，为一TO封装、无管壳，至少有4根Pin脚。Pin脚的定义请参阅附图3；

温度监测和控制装置202，包括一个两极镀金的贴片热敏电阻和一个两极镀金的贴片加热电阻。两个电阻并联，并采用低温焊料焊接在二极管激光器201突出的固定半导体激光芯片的矩形热沉下面，这样它们的一极与二极管激光器201的Pin脚301共极。它们的另一极，用金线导通二极管激光器201的pin脚304共极。

所述的承接热沉部分包括承接热沉203、光学耦合元件204、由激光增益介质、波片和非线性晶体合成的微片式激光腔205、PD探测器206、导通PD与二极管激光器Pin脚的引线207。光学耦合元件204放置在承接热沉203后半部分的中心通孔里，使用圈状成型玻璃焊料焊接光学耦合元件204和承接热沉203。微片式激光腔205包括倍频晶体KTP、激光晶体Nd:YVO4和玻片。微片式激光腔205底部的保护硅片底面镀金，用低温焊料焊接在承接热沉203前半部的平面上。PD探测器206底面负极镀金，使用低温焊料将其焊接在承接热沉203顶端的凹坑中，所以PD探测器的负极与二极管激光器的Pin脚201共极。PD探测器206采用磷化镓材料，只响应可见光波段的光。导通PD与二极管激光器Pin脚的引线207，材质与承接热沉203一致，使用绝缘的玻璃焊料将其焊接在承接热沉203的背面凹槽中。引线207的前端用金线连接PD探测器206的正极，引线207的后端用金线连接二极管激光器201的Pin脚303连接。为了让承接热沉203能采用电阻焊的方式焊接在二极管激光器201的基底上，承接热沉203后半部分的基底的底面设计有环状的尖角。

所述的管壳部分包括管壳208和窗口片209。管壳208顶端有斜开的沉孔，放置在里面的窗口片209与光轴的夹角成75度，能把光反射到PD探测器206上。为了能让管壳208以电阻焊的方式焊接在承接热沉203的尾部，管壳208尾部的底面设计有环状尖角。窗口片209的激光入射表面镀808nm高反膜，1064nm高反膜和532nm7％反射膜，窗口片的激光出射表面镀532nm增透膜。窗口片209与管壳208用玻璃焊料焊接在一起。

本实用新型一个具体实施例的工作原理如下：二极管激光器201出射的光，通过光学耦合元件204会聚到微片式激光腔205中，泵浦出1064nm的基频光，1064nm的基频光在激光腔205内振荡，来回通过倍频晶体，产生532nm的倍频光输出。泵浦光、1064nm的基频光和532nm的绿光从窗口片209的表面反射到PD探测器206上，磷化镓PD探测器206只响应其中的532nm的绿光，把采样到的光信号转化为电流大小。然后通过外接的比较电路的反馈控制，实现532nm绿光的输出恒功率控制。

本实用新型的一个具体实施例其实现温度监测和控制的电路结构如下(如附图4所示)：电阻4001与电阻4002并联后串联电阻4003，接地；加热电阻4005与热敏电阻4006并联，电阻4004与场效应管4007并联，这两部分串联后串联电阻4008，接地；电阻4010和电阻4011并联后串联电阻4012，接地；比较器4013的负极接测试点4015，正极接测试点4014，比较器4013的输出端串联晶体管和电阻后，接场效应管4007；比较器4009的负极接测试点4016，正极接测试点4017，比较器4009的输出端串联晶体管和电阻后，接场效应管4007；控制电路的正极接二极管激光器201的Pin脚301，负极接二极管激光器202的Pin脚302)。

本实用新型的一个具体实施例其实现温度监测和控制的工作原理如下(如附图4所示)：电阻4005和4006分别为激光器内部并联的加热电阻和热敏电阻。其他元件4001～4004，4007～4013为激光器外接的电路中的各种元件，4014～4017为人为标注的测试点。适当选择外接电路中的电阻大小，使二极管激光器芯片的实际温度较低时(比如50℃)，测试点4014和测试点4015间的电势为0；使二极管激光器芯片的实际温度为较高时(比如52℃)，测试点4016和测试点4017间的电势为0。这样，外接电路就具有了判断设定半导体激光芯片的温度的功能。

当二极管激光器芯片的温度低于50℃时，通电后测试点4014的电势比测试点4015的电势高，测试点4017的电势比测试点4016的电势高，所以比较器4013和比较器4009都输出高电平，导通场效应管4007，加热电阻4005上通过的电流增大，开始加热半导体激光芯片。

当二极管激光器芯片的温度高于52℃时，测试点4014的电势比测试点4015的电势低，测试点4017的电势比测试点4016的电势低，比较器4013和比较器4009分别输出低电平和低电平。场效应管4007就会断开，因为电阻4004的阻值选的远大于加热电阻，通过加热电阻的电流会变得很小，所产生的热量可以忽略，停止加热。

当二极管激光器芯片的温度通过加热升高超过50℃时，测试点4014的电势比测试点4015的电势低，测试点4017的电势比测试点4016的电势高，比较器4013和比较器4009分别输出低电平和高电平。比较器4013和比较器4009的输出只要有一个是低电平，场效应管4007就会断开，因为电阻4004的阻值选的远大于加热电阻，通过加热电阻的电流会变得很小，所产生的热量可以忽略，停止加热。

综上所述，本实用新型的TO封装的微型宽温固体激光器，具有体积小、封装标准；元部件固定使用焊接方式，无胶污染、气密性好、可靠性高；激光器内置温度监测和控制装置，可以实现-40℃到80℃的超宽工作温度范围。该种二极管泵浦固体激光器的主要封装工序可实现全自动化，适合大批量生产。

本实用新型的保护范围应该是符合权利要求书所提到的创新性特征的最大范围。不限于具体实施例所描述的二极管泵浦绿光激光器，它可以实现所有二极管泵浦固体激光器的TO封装、微型化和超宽工作范围。可实现TO-Can的各种标准形式，不限于TO-56、TO-9等。

Claims (9)

1.一种TO封装的微型宽温固体激光器，包括二极管激光器(201)、光学耦合元件(204)、微片式激光腔体(205)，其特征在于，还包括温度监测和控制装置(202)、承接热沉(203)、PD探测器(206)、导通PD与二极管激光器Pin脚的引线(207)、带窗口片的管壳(208)。

2.如权利要求1所述的TO封装的微型宽温固体激光器，其特征在于，所述的二极管激光器(201)是TO封装、无管壳，至少有4根Pin脚。

3.如权利要求1所述的TO封装的微型宽温固体激光器，其特征在于，所述的温度监测和控制装置(202)由热敏电阻和微型温控元件组成，热敏电阻和微型温控元件以串联或并联或混联方式连接；

所述的温度监测和控制装置(202)固定在二极管激光器(201)上；

所述的微型温控元件，是一加热电阻；

所述的温度监测和控制装置(202)的一极与二极管激光器(201)的正极Pin脚(301)共极；所述的温度监测和控制装置(202)的另一极与二极管激光器(201)的Pin脚(304)共极。

4.如权利要求1所述的TO封装的微型宽温固体激光器，其特征在于，所述的承接热沉(203)上固定有光学耦合元件(204)、微片式激光腔体(205)、PD探测器(206)、导通PD与二极管激光器Pin脚的引线(207)；

所述的承接热沉(203)基底的底面设计成平面或者平面上有环形尖角；

所述的承接热沉(203)焊接在二极管激光器(201)的基底上；

所述的承接热沉(203)的材质为热膨胀系数与玻璃热膨胀系数相近的金属。

5.如权利要求4所述的TO封装的微型宽温固体激光器，其特征在于，所述的光学耦合元件(204)和微片式激光腔(205)焊接在承接热沉(203)上。

6.如权利要求4所述的TO封装的微型宽温固体激光器，其特征在于，所述的PD探测器(206)焊接在承接热沉(203)上，PD探测器(206)为磷化镓材质的PD探测器，PD探测器(206)底面镀金的负极与二极 管激光器(201)的正极Pin脚(301)共极。

7.如权利要求4所述的TO封装的微型宽温固体激光器，其特征在于，所述的导通PD与二极管激光器Pin脚的引线(207)焊接在承接热沉(203)上，与承接热沉(203)之间绝缘；导通PD与二极管激光器Pin脚的引线(207)的材质为热膨胀系数与玻璃热膨胀系数相近的金属；

所述的导通PD与二极管激光器Pin脚的引线(207)的前端与PD探测器(206)的正极用金线连接，引线(207)的后端用金线与二极管激光器(201)的一根Pin脚(303)连接。

8.如权利要求1所述的TO封装的微型宽温固体激光器，其特征在于，所述的管壳(208)的顶端有斜开放置窗口片(209)的沉孔；管壳(208)尾端的底面设计有突出的环状尖脚；管壳(208)焊接到承接热沉(203)的基底上或者焊接到二极管激光器(201)的基底上；

所述的窗口片(209)的入射表面有对基频光和泵浦光高反射的膜，有对输出的激光反射的膜，窗口片(209)的出射表面有对输出的激光高透的膜。

9.如权利要求1所述的TO封装的微型宽温固体激光器，其特征在于，电阻(4001)与电阻(4002)并联后串联电阻(4003)，接地；加热电阻(4005)与热敏电阻(4006)并联，电阻(4004)与场效应管(4007)并联，这两部分串联后串联电阻(4008)，接地；电阻(4010)和电阻(4011)并联后串联电阻(4012)，接地；比较器(4013)的负极接测试点(4015)，正极接测试点(4014)，比较器(4013)的输出端串联晶体管和电阻后，接场效应管(4007)；比较器(4009)的负极接测试点(4016)，正极接测试点(4017)，比较器(4009)的输出端串联晶体管和电阻后，接场效应管(4007)；控制电路的正极接二极管激光器(201)的Pin脚(301)，负极接二极管激光器(202)的Pin脚(302)。 

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