CN202333425U

CN202333425U - 紧凑型固体激光非线性频率变换芯片优化封装结构

Info

Publication number: CN202333425U
Application number: CN2011204174362U
Authority: CN
Inventors: 徐庆扬; 路洋; 苏红平; 李向阳
Original assignee: C2C CRYSTAL CHIP TECHNOLOGY Co; NANJING CQ LASER TECHNOLOGIES Co Ltd
Current assignee: C2C CRYSTAL CHIP TECHNOLOGY Co; NANJING CQ LASER TECHNOLOGIES Co Ltd
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-10-24

Abstract

紧凑型固体激光非线性频率变换芯片优化封装结构。该结构包括一块激光晶体，一块非线性倍频晶体以及一个热沉。激光晶体和热沉之间以及非线性倍频晶体和热沉之间填充有一导热介质；激光晶体和非线性倍频晶体之间留有空气间隙；激光晶体和非线性倍频晶体形成平平式激光谐振腔结构。通过优化激光晶体的相关参数，如掺杂浓度等以及激光晶体和非线性倍频晶体之间的空气间隙长度，可以产生150mW至1W，甚至1W以上的绿光输出。

Description

紧凑型固体激光非线性频率变换芯片优化封装结构

所属技术领域

本专利涉及一种紧凑型固体激光非线性频率变换芯片优化封装结构，适用于激光投影显示尤其是激光微型投影显示，以及采用固体激光非线性频率变换光源的领域。

背景技术

利用光胶或胶合工艺制作的传统紧凑型绿光激光芯片在激光笔，舞台灯光，准直线工具等低功率市场得到了广泛应用。近年来，激光微型投影显示产业迫切需要较高功率的红，绿，蓝三基色激光器(每种颜色需要的功率从150mW到1W)。显然，传统紧凑型绿光激光芯片无法满足激光微型投影显示的需求。虽然630nm红光可以由镓砷磷(GaAsP)半导体激光器直接产生，并且460nm蓝光也可以由铟镓氮(InGaN)半导体激光器产生，然而由半导体材料，例如，铟镓氮材料产生绿光(约530nm)激光还没有研制成熟，而且预计在比较长的一段时间内绿光半导体激光器将远不如红光、蓝光半导体激光器成熟。因此，高效，高功率，高可靠性的紧凑型绿光激光器成为了激光投影显示产业的瓶颈。

通过二极管泵浦固体激光器倍频产生的紧凑型绿光激光器是目前绿光激光器的最佳途径。将掺钕的钒酸钇晶体(Nd:YVO₄)和磷酸钛氧钾晶体(KTiPOPO₄，KTP)进行光胶或者胶合制作的紧凑型绿光激光芯片(以下简称KTP光胶晶体或者KTP胶合晶体)虽然目前在除了激光投影显示以外的低功率领域获得了广泛的应用。然而，KTP光胶或胶合晶体具有许多缺点，KTP晶体材料方面的缺点包括KTP晶体的生长尺寸不大；KTP晶体的非线性系数小(d_eff约为3pm/V)；以及由于晶体生长的偏差导致的晶体光轴定位及切割方向定位不确定，从而导致了KTP晶体之间的不一致性；尤其是普通KTP晶体的灰迹效应使得KTP晶体不适用于高功率(几百毫瓦及以上)的应用，另外，由KTP产生的绿光也不是线偏振光。KTP胶合晶体一般适用于功率小于10mW的应用，而KTP光胶晶体一般只适用于功率小于100mW的应用。因此，需要一种新型的紧凑型绿光晶体芯片来满足不同的功率(例如100mW-1W)并适合于大批量生产的需求。

发明内容

为了克服KTP光胶晶体和KTP胶合晶体的低功率，低可靠性等缺点，本专利提供一种紧凑型绿光芯片优化封装结构，该结构及其变化封装结构可以产生150mW到1W的绿光，甚至1W以上的绿光。

本专利解决其技术问题所采用的技术方案是：利用优化了的腔型结构及激光晶体相关参数设计，将激光晶体和非线性频率变换晶体同时固定在一个热沉上，二者之间留有空气间隙。激光晶体和热沉之间以及非线性频率变换晶体和热沉之间填充有导热介质，激光晶体和非线性频率变换晶体形成平平式激光谐振腔结构。

本专利的有益效果是，由于采用了不同参数设计的激光晶体并优化了相应的空气间隙尺寸，该结构可以获得从150mW到1W的绿光，甚至1W以上的绿光输出。同时，该封装结构使用了已优化的散热方式，近而可以获得更高绿光功率输出。该紧凑型绿光芯片可作为手机激光投影引擎和便携式激光投影引擎所需要的高功率绿光光源之核心部件。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1给出了本发明第一实施例的结构示意图；

图2给出了本发明第二实施例的结构示意图；

图3给出了本发明第三实施例的结构示意图；

图4给出了本发明第四实施例的结构示意图。

图5给出了本发明第五实施例的结构示意图。

图中，1.激光晶体，2.非线性倍频晶体，3.热沉，4.导热介质，5.空气间隙，6.激光晶

体的S1面，7.激光晶体的S2面，8.非线性倍频晶体的S3面，9.非线性倍频晶体的S4面。

具体实施方式

图1给出了本发明第一实施例的结构示意图(侧视图)，其中1是激光晶体，2是非线性倍频晶体，3是热沉，4是导热介质。激光晶体1和非线性倍频晶体2之间留有空气间隙5；激光晶体1和非线性倍频晶体2形成平平式激光谐振腔结构。激光晶体1可为掺钕的钒酸盐晶体，如掺钕钒酸钇(Nd:YVO₄)等。非线性倍频晶体2可为周期极化的掺氧化镁铌酸锂(MgO:PPLN)或周期极化的钽酸锂(PPLT，PPSLT)等非线性倍频晶体。激光晶体1的S1面6镀有对波长为1064nm激光和532nm激光的高反膜和对808nm激光的增透膜；激光晶体1的S2面7和非线性倍频晶体2的S3面8镀有对波长为1064nm激光和532nm激光增透的膜系；非线性倍频晶体2的S4面9镀有对波长为1064nm激光的高反膜和对532nm波长激光的增透膜。激光晶体1的S1面6和非线性倍频晶体2的S4面9互相平行，形成一种平平式激光谐振腔结构。为了获得不同的输出功率，激光晶体1的相关参数，如掺杂浓度和长度L1等，空气间隙5的长度L3，以及非线性倍频晶体2的长度L2需要做相应的优化。例如，在一个具体实施例中，为达到100mW至150mW的532nm绿光，808nm泵浦光功率优选500mW至1W的半导体激光器；激光晶体1优选为Nd³⁺掺杂浓度为3％的Nd:YVO₄，长度L1为0.5mm至2mm；非线性倍频晶体2优选为MgO掺杂浓度为5％的周期极化铌酸锂晶体(MgO:PPLN)，长度L2为0.5mm至2mm；空气间隙5的长度L3优选为0.2mm至2mm。优化紧凑型绿光芯片的总长度为1.2mm至6mm。在另一个具体实施例中，为达到100mW至500mW的532nm绿光，808nm泵浦光功率优选500mW至2W的半导体激光器；激光晶体1优选为Nd³⁺掺杂浓度为2％的Nd:YVO₄，长度L1为1mm至3mm；非线性倍频晶体2优选为MgO掺杂浓度为5％的周期极化铌酸锂晶体(MgO:PPLN)，长度L2为0.5mm至2mm；空气间隙5的长度L3优选为1mm至3mm。优化紧凑型绿光芯片的总长度为2.5mm至8mm。在另一个具体实施例中，为达到300mW至1W的532nm绿光，808nm泵浦光功率优选1.5W至3W的半导体激光器；激光晶体1优选为Nd³⁺掺杂浓度为2％的Nd:YVO₄，长度L1为2mm至3mm；非线性倍频晶体2优选为MgO掺杂浓度为5％的周期极化铌酸锂(MgO:PPLN)，长度L2为0.5mm至2mm；空气间隙5的长度L3优选为1mm至5mm。优化紧凑型绿光芯片的总长度为3.5mm至10mm。在另一个具体实施例中，当采用3W以上的808nm半导体激光器作为泵浦光产生1W以上的绿光时，空气间隙5的长度为5mm以上，紧凑型绿光芯片的总长度在10mm以上。

为了有效地使激光晶体1和非线性倍频晶体2产生的热迅速传递出去，热沉4使用导热率较高的材料。激光晶体1以及非线性倍频晶体2与热沉之间通过导热介质4粘合在一起。导热介质4优选为导热率较高的胶水，例如掺银的环氧树脂胶水，导热硅胶等。

图2给出了本发明第二实施例的结构示意图(侧视图)。为了使用导热更好的金属焊料，热沉3上蒸镀一层金属层10，激光晶体1和非线性倍频晶体2与热沉3接触的表面也镀有一金属层10，激光晶体1，非线性倍频晶体2与热沉3之间通过低温金属焊料11焊接在一起。金属层10的材料包括，但并不局限于铝，金，铬。低温金属焊料11包括，但并不局限于，金属铟焊料，铟锡焊料。在相同的泵浦光功率下，该紧凑型绿光芯片封装结构能够比图1所示的绿光芯片产生更高的绿光功率。

图3给出了本发明第三实施例的结构示意图(从通光方向看的正视图)，即将如图1所示的12(在图3中以虚线框标出)进一步封装在一个U型的半封闭金属夹具13中。金属夹具13的材料包括但并不局限于紫铜，黄铜，或者铝。金属夹具13和芯片12通过导热介质4粘接在一起。导热介质4优选为导热的胶水，例如掺银的环氧树脂胶水，导热硅胶等。该结构可以进一步改善该绿光激光芯片的散热性能，从而达到在相同的泵浦光功率下，该紧凑型绿光芯片半封闭封装结构能够产生比芯片12更高的绿光功率，而且同时起到保护绿光芯片的作用。

图4给出了本发明第四实施例的结构示意图(从通光方向看的正视图)，即将如图2所示的芯片14(在图4中以虚线框标出)进一步封装在一个全封闭的金属夹具15中。金属夹具15的材料包括但并不局限于紫铜，黄铜，或者铝。需要注意的是，芯片14与图2所示的芯片中的金属层10稍微不同。

芯片14的金属层10蒸镀在激光晶体1(以及非线性倍频晶体2)和热沉3除了通光方向两个面以外的四个面。该芯片14通过低温金属焊料11与全封闭的金属夹具15焊接在一起。该结构可以进一步改善该绿光激光芯片的散热性能，从而达到在相同的泵浦光功率下，该紧凑型绿光芯片全封闭封装结构能够产生比芯片14更高的绿光功率，而且同时起到保护绿光芯片的作用。

需要指出的是，图1所示的芯片12完全可以封装在全封闭的金属夹具15中。同样，图2所示的芯片14也完全可以封装在半封闭的金属夹具13中。

图5给出了本发明第五实施例的结构示意图(侧视图)，其中激光晶体1和非线性晶体2分别封装在U型的半封闭金属夹具16和17中，然后二者同时通过调节封装在金属热沉18上形成全金属封闭结构。需要注意的是，激光晶体1和非线性晶体2通过如图3和图4所述类似的方法分别封装在U型的半封闭金属夹具16和17中，因此该细节在图5中并未给出。U型半封闭金属夹具16和17，以及金属热沉18的材料包括但并不局限于紫铜，黄铜，或者铝。该结构可以进一步改善该绿光激光芯片的散热性能，从而达到在相同的泵浦光功率下，该紧凑型绿光芯片全封闭封装结构能够产生类似于图3和图4所示结构的绿光功率。

上述激光晶体1包括但并不局限于：掺钕的钒酸盐晶体，包括掺钕钒酸钇(Nd:YVO₄)，掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)等。非线性倍频晶体2包括但并不局限于周期极化的掺氧化镁同成分铌酸锂(c-MgO:PPLN)，周期极化的掺氧化镁(近)化学计量比铌酸锂(s-MgO:PPLN)，周期极化的掺氧化镁(近)化学计量比钽酸锂(s-MgO:PPSLT)等。

上述热沉4可使用其他导热率较高的材料，例如蓝宝石，氮化铝和硅等衬底，或者金属材料例如紫铜，黄铜，铝等。

以上以倍频为例说明了本发明的基本思想。显然、本发明可应用于基于倍频以外，例如差频、和频等非线性过程的激光光源。

上述808nm半导体激光器的泵浦方式不限于端面泵浦(通光方向泵浦)，也包括侧面泵浦等其他泵浦方式。

Claims

1.紧凑型固体激光非线性频率变换芯片优化封装结构，其特征是，激光晶体和非线性频率变换晶体形成平平式激光谐振腔结构，二者之间具有已优化结构参数的空气间隙，二者同时或分别固定在热沉上。

2.根据权利要求1所述的优化封装结构，其特征是，当采用500mW至1W的808nm半导体激光器作为泵浦光产生100mW至150mW的绿光时，激光晶体和非线性倍频晶体之间的空气间隙长度为0.2mm至2mm，紧凑型绿光芯片的总长度为1.2mm至6mm。

3.根据权利要求1所述的优化封装结构，其特征是，当采用500mW至2W的808nm半导体激光器作为泵浦光产生100mW至500mW的绿光时，激光晶体和非线性倍频晶体之间的空气间隙的长度为1mm至3mm，紧凑型绿光芯片的总长度为2.5mm至8mm。

4.根据权利要求1所述的优化封装结构，其特征是，当采用1.5W至3W的808nm半导体激光器作为泵浦光产生300mW至1W的绿光时，激光晶体和非线性倍频晶体之间的的空气间隙的长度为1mm至5mm，紧凑型绿光芯片的总长度为3.5mm至10mm。

5.根据权利要求1所述的优化封装结构，其特征是，当采用3W以上的808nm半导体激光器作为泵浦光产生1W以上的绿光时，激光晶体和非线性倍频晶体之间的空气间隙长度为5mm以上，紧凑型绿光芯片的总长度在10mm以上。

6.根据权利要求1所述的封装结构，其特征是，激光晶体和热沉之间以及非线性倍频晶体和热沉之间的导热介质是一种导热粘合剂。

7.根据权利要求1所述的封装结构，其特征是，激光晶体，非线性晶体和热沉表面镀有一层金属薄膜，激光晶体和热沉之间以及非线性倍频晶体和热沉之间的导热介质是一种导热金属焊料。

8.根据权利要求1所述的封装结构，其特征是，该结构封装在一种半封闭的金属导热夹具中。

9.根据权利要求7所述的封装结构，其特征是，该结构封装在一种全封闭的金属导热夹具中。

10.根据权利要求1所述的封装结构，其特征是，激光晶体和非线性晶体分别封装在一种半封闭的金属导热夹具中；然后二者分别通过调节封装在金属热沉上。