CN202103309U - 一种组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源，以解决现有技术中的半导体激光器泵浦源的成品率低、合格率低，拆装维护不便、寿命较短等技术问题。该侧面泵浦源包括半导体激光器模块组和散热器，所述半导体激光器模块组是由一个或多个半导体激光器模块组成，其中每一个半导体激光器模块均通过活动链接方式或焊接方式固定于散热器上。本实用新型中半导体激光器模块可预先进行测试、老化、筛选，可单独封装，测试，老化，可选择不同的芯片进行组合、控制，实现多波长宽光谱输出。泵浦源在使用过程中若某个模块出现异常，可单独更换，使得产品的成品率更高、寿命更长。

Description

一种组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源

技术领域

本实用新型属于激光光电子技术领域，涉及半导体激光器，具体涉及一种组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源。

背景技术

固体激光器最有效的泵浦源是半导体激光器，高功率半导体激光器泵浦的全固态激光器，是近几年发展的一个热点。半导体与闪光灯泵浦光源相比，半导体激光器有突出的优点：(1)工作时间长；(2)低功耗；(3)体积小；(4)更重要的是其光谱与激光材料的吸收光谱匹配好，因此产生的热效应小，有利于提高固体激光器的工作稳定性和光束质量。

随着全固态激光器在工业、医疗、军事等领域展现越来越广阔的应用前景，对作为核心部件的半导体激光器泵浦源提出了更高的要求。

在固体激光棒的侧泵应用中通常采用半导体激光器水平阵列的发光面为平面形发光结构，侧面泵浦源的通常采用半导体激光器水平阵列呈正三角，正五角，正七角等。这种结构会导致固体激光棒对泵浦光的吸收不均匀，吸收效率低，导致固体激光器输出光斑的均匀性较差，泵浦效率低。传统的发光面为平面形发光结构的侧泵见图1。

“一种半导体激光器侧泵模块”(CN101834402A)公开了一种半导体激光器侧泵模块，其是由一个或多个侧泵模块单元以及一个晶体棒组成，其侧泵模块的发光面为平面形发光结构，该侧泵模块利用大功率半导体激光器阵列作为泵浦源，经过扩束和匀化，使泵浦光束的均匀性和能量密度满足使用要求。其增加了快轴准直镜及扩束镜，增加了结构的复杂程度，同时，各个侧泵模块之间相互独立没有集成。

把半导体激光器阵列泵浦源的平面结构发光面设计成半圆形结构发光面，会使固体激光棒对泵浦光源的吸收均匀，提高泵浦效率，同时固体激光棒的输出光斑均匀性得到改善，但是传统的半圆形结构侧泵(如图2)存在以下缺点：

(1)成品率低。目前的半圆形结构侧泵制备过程是将半导体激光器阵列整体焊接在散热器上，多个巴条一起焊接在散热器上，巴条损坏的可能性很高，导致半导体激光器泵浦源的成品率低。

(2)无法检验和测试，也不便于老化。将半导体激光器阵列整体焊接在散热器上制备成半导体激光器泵浦源，此种工艺会导致泵浦源无法进行检验和测试，也不便于老化。

(3)成本高。在整体进行老化过程中，芯片损坏几率较高，使得制成的半导体激光器泵浦源成本较高。

(4)在进行老化时，须整体进行老化，老化过程中芯片可能损坏，导致半导体激光器泵浦源不合格。

(5)维修困难。使用过程中，芯片不可替换，单个半导体激光器损坏后，芯片不可替换，维修困难，影响半导体激光器泵浦源的寿命，使其寿命降低。

实用新型半圆柱面型发光面的半导体激光器阵列(专利号ZL01220203.7)公开了一种半导体器件制作的固体激光器泵浦源，采用半圆形发光面的LD线列阵作为泵浦源，使棒状激光介质对泵浦源的吸收均匀，从而提高泵浦效率，同时也改善了固体激光器输出光斑的均匀性，据该专利文件介绍，半圆柱面发光面的LD线列阵效率比平面型LD线列阵提高一倍以上，但是此专利中是将半导激光器芯片直接焊接在热沉上，无法进行检验和测试，不便于进行老化，会导致泵浦源的成品率低；老化过程中，芯片可能损坏、合格率低，导致泵浦源合格率低；此外，其在使用过程中若单个芯片坏掉后，芯片不可替换，维修困难，影响整个固体激光器泵浦源的寿命。

实用新型半导体激光器侧泵浦模块(专利号ZL200420114915.7)公开了一种采用同心泵浦、同心冷却的紧包泵浦结构的拱形半导体激光器侧泵浦模块，本专利中对增益介质形状的要求苛刻，适用于增益介质为棒状的形式，其同样是将半导激光器芯片直接焊接在热沉上，无法进行检验和测试，不便于进行老化，会导致泵浦源的成品率低；老化过程中，芯片可能损坏、合格率低，导致泵浦源合格率低；此外，其在使用过程中若单个芯片坏掉后，芯片不可替换，维修困难，影响整个固体激光器泵浦源的寿命。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源，以解决现有技术中的半导体激光器泵浦源的成品率低、合格率低，拆装维护不便、寿命较短等技术问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源，包括半导体激光器模块组和散热器，其特征在于：所述半导体激光器模块组是由一个或多个半导体激光器模块组成(形成了半导体激光器阵列)，其中每一个半导体激光器模块均通过活动链接方式或焊接方式固定于散热器上。

上述半导体激光器模块由芯片和与芯片焊接的衬底组成，衬底通过活动链接方式或焊接方式固定于散热器上。

上述半导体激光器模块组是由多个半导体激光器模块串联、并联或者串并联结合构成。

上述半导体激光器模块是经过测试、老化、筛选后的半导体激光器模块。

上述组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源的形状与增益介质的形状或需求匹配，可以是环形、多边形、长方形、正方形、菱形等其他形状。本实用新型的侧面泵浦源与增益介质共同构成了固体激光器。

上述组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源的形状优选环形、多边形、长方形、正方形或菱形。

上述芯片是单管芯片、微型巴条、巴条或者由多个单管芯片、多个微型巴条、多个巴条芯片连接组成的芯片模块。

上述散热器是高导热率散热基座(比如铜、金刚石或银制散热基座)、液冷散热器或者半导体制冷散热器。

本实用新型还提供了一种组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源的制备方法，包括以下步骤：

(1)将单管芯片、微型巴条、巴条或者多个单管芯片组或者多个巴条芯片安装在衬底上，组成一个或分别组成多个半导体激光器模块；

(2)将半导体激光器模块进行测试、老化、筛选；

(3)将筛选后合格的一个或多个半导体激光器模块安装在散热器上，制成组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源。

在步骤(3)之前，最好先根据增益介质的形状或需求整体设计组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源的形状。

上述步骤(3)的安装是指将衬底通过活动链接方式或焊接方式固定于散热器上。

本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源采用模块化集成的方式，各个模块之间相互独立；

(2)每个半导体激光器模块可预先进行测试、老化、筛选。测试、老化和筛选的过程中巴条的使用量较之传统半圆形结构侧泵制备过程中巴条的个数大大减少，将提高生产制备过程中的成品率，降低了使用过程中芯片不合格的几率；

(3)先将每个半导体激光器模块单独进行测试、老化后筛选出性能已知好的半导体激光器模块，将其安装在散热器上，制成半导体激光器泵浦源，可保证半导体激光器泵浦源的性能已知良好，成品率高；

(4)测试简便，多个半导体半导体激光器模块组合方式灵活，易检验、测试、老化；

(5)维护简易、可替换性好、寿命长，单个半导体激光器模块损坏后，可替换，后继维护方便简易使半导体激光器泵浦源的寿命长；

(6)可靠性高，适用于高温等复杂多变的环境中使用，半导体激光器模块可方便进行可靠性测试；

(7)成本低，因每个半导体激光器模块可预先进行测试、老化、筛选，提高了生产制备过程中的成品率，降低了使用过程中芯片不合格的几率，同时制备好的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源是选用性能已知好的半导体激光器模块，成品率高，整个工艺过程使得成本降低；

(8)本实用新型中的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源的结构可使用无铟化技术，可使用硬焊料。

附图说明

图1传统的发光面为平面形发光结构的侧泵示意图

图2传统的半圆形结构侧泵示意图；

图3为本实用新型的原理示意图；

图4为本实用新型实施例一结构示意图；

图5为本实用新型实施例一的一次拆解图；

图6为本实用新型实施例二的二次拆解图；

图7为本实用新型实施例二结构示意图；

图8为本实用新型实施例三结构的示意图；

图9为本实用新型实施例三测试结果图。

其中：1为半导体激光器模块组；2为散热器；3、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、21为半导体激光器模块；4为芯片；5为衬底；20为固体激光棒(即增益介质)。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参见图3给出的本实用新型原理示意图，一种组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源，包括半导体激光器模块组1和散热器2，所述半导体激光器模块组1固定在散热器2上。

上述的半导体激光器模块组1是由一个或多个半导体激光器模块3排列组成。

上述的半导体激光器模块3是由芯片4和衬底5组成。

上述半导体激光器模块3是预先测试、老化后筛选出已知性能好的半导体激光器模块。

图3中四个半导体激光器模块3呈四方对称分布，并固定于两块散热器2上。

芯片4可以是单管芯片、微型巴条、巴条或者由多个单管芯片、多个巴条芯片、多个微型巴条芯片连接组成。

衬底5的材质为高导热率材料。衬底主要是起散热作用，可以采用绝缘介质，或者也可以不考虑绝缘。

散热器2可以选用高导热率的材料制冷，也可使用水冷、风冷、电子制冷或者选择两种或两种以上结合散热。散热器2的个数可以是单个，也可以使用多个。

一种组合式高功率半导体激光器泵浦源的制备方法：

(1)由单管芯片、微型巴条、巴条或者多个单管芯片组、多个巴条芯片安装在衬底5上，组成了半导体激光器模块；

(2)半导体激光器模块可预先测试、老化、筛选；

(3)选用性能已经好的半导体激光器模块3串联、并联或串并联结合组成半导体激光器模块组1，将其安装在散热器2上，制成组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源。

根据激光器的工作原理，半导体激光器泵浦中固体激光器晶体发光时，出光过程中产生的热量可由半导体激光器模块组1传到散热器2上，由散热器2传出。

本实用新型的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源中半导体激光器模块可预先进行测试、老化后筛选出性能已知好的，其可分别控制，单独老化，测试、筛选，使得组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源的成品率高、寿命长。同时，半导体激光器模块可选用不同波长的芯片，实现宽光谱多波长的输出。

实施例一

如图4、图5和图6所示的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源(较之于图1所示的原理图布局方式，结构更紧凑)，包括半导体激光器模块组1和散热器2。所述半导体激光器模块1通过活动链接方式(比如限位槽、卡接或其他公知的机械连接方式)固定在散热器2上。

半导体激光器模块组1选用半导体激光器模块6、7、8、9、10、11排列组成；

上述半导体激光器模块6、7、8、9、10、11是预先进行测试、老化后筛选出性能已知好的半导体激光器模块；

半导体激光器模块6、7、8、9、10、11分别选用不同波长的芯片4和衬底5组成。

芯片4选用的是6-10个巴条芯片连接组成也可以是多个单管芯片组成或者多个微型巴条芯片连接组成。

上述衬底5的材质为高导热率材料。

上述散热器2可以选用高导热率的材料和液体制冷，高导热率材料可选用铜、金刚石、铜钨等。

本实施例组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源可实现多波长宽光谱的输出。

该组合式高功率半导体激光器泵浦源的制备方法：

(1)由单管芯片、微型巴条、巴条或者多个单管芯片组、多个巴条芯片安装在衬底5上，组成了半导体激光器模块；

(2)将半导体激光器模块进行测试、老化、筛选；

(3)选用性能已知好的半导体激光器模块6、7、8、9、10、11安装在散热器2上，制备成组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源。

实施例二

如图7所示所示的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源，其形状为三角形。

半导体激光器模块组1选用半导体激光器模块12、13、14排列组成。

半导体激光器模块12、13、14分别选用芯片4和衬底5组成。

上述衬底5的材质为高导热率材料。

芯片4选用的是10个巴条芯片连接组成。

半导体激光器模块12、13、14是预先进行测试、老化后筛选出的已知性能好的半导体激光器模块。

将半导体激光器模块12、13、14通过螺丝固定在散热器2上也可以通过焊接的方式固定在散热器2上。

上述散热器2可以选用高导热率的材料传导制冷。

实施例三

如图8所示的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源，其形状为五边形，其包括半导体激光器模块组1和散热器2。

半导体激光器模块组1选用半导体激光器模块15、16、17、18、19排列组成；

半导体激光器模块15、16、17、18、19是预先进行测试、老化后筛选出的已知性能好的半导体激光器模块。

半导体激光器模块15、16、17、18、19可通过螺丝固定在散热器2上也可以通过焊接的方式固定在散热器上。

半导体激光器模块15、16、17、18、19分别选用芯片4和衬底5组成。

芯片4选用的是7个微型巴条芯片连接组成。

上述衬底5的材质为高导热率材料。

上述散热器2可以选用高导热率的材料传导制冷。

本实施例三的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源测试结果图见图9。在温度为58℃，输入电流为20Hz，200us，200A时，其功率曲线如图9，电光转换效率可达47.01％，峰值功率为5189.38W。

综上，本实用新型的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源中半导体激光器模块可预先测试、老化后筛选出性能已知好的半导体激光器模块，其可单独封装，测试，老化，可单独拆装、控制、灵活组合，可选择不同的芯片进行组合，实现多波长宽光谱输出。若某个模块出现异常，可单独更换，使得本实用新型的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源的成品率高、寿命长。

Claims (8)

1.一种组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源，包括半导体激光器模块组和散热器，其特征在于：所述半导体激光器模块组是由一个或多个半导体激光器模块组成，其中每一个半导体激光器模块均通过活动链接方式或焊接方式固定于散热器上。

2.根据权利要求1所述的一种组合式高功率半导体激光器泵浦源，其特征在于：所述半导体激光器模块由芯片和与芯片焊接的衬底组成，衬底通过活动链接方式或焊接方式固定于散热器上。

3.根据权利要求2所述的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源，其特征在于：所述半导体激光器模块组是由多个半导体激光器模块串联、并联或者串并联结合构成。

4.根据权利要求2所述的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源，其特征在于：所述的半导体激光器模块是经过测试、老化、筛选后的半导体激光器模块。

5.根据权利要求2所述的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源，其特征在于：所述的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源的形状与增益介质的形状或需求匹配。

6.根据权利要求5所述的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源，其特征在于：所述的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源的形状为环形、多边形、长方形、正方形或菱形。

7.根据权利要求2所述的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源，其特征在于：所述芯片是单管芯片、微型巴条、巴条或者由多个单管芯片、多个微型巴条、多个巴条芯片连接组成的芯片模块。

8.根据权利要求2所述的组合式高功率半导体激光器侧面泵浦源，其特征在于：所述散热器是高导热率散热基座、液冷散热器或者半导体制冷散热器。

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