CN203722049U - 高功率薄型激光模组封装结构及高功率激光器封装 - Google Patents

Abstract

本实用新型专利公开了一种高功率薄型激光模组封装结构及高功率激光器封装，该高功率薄型激光模组的结构包括由激光晶体、非线性倍频晶体、导热基板组成。以此为基础，构建的高功率激光器的结构包括LD泵浦光源、薄型激光模组、腔镜、输出滤波片。其特点是，上述元件以导热性优良的金属管壳作为承载平台并固定在其上，且所述组件封装在激光器保护管壳内，薄型激光模组安装在金属管壳上，与光传播方向平行，腔镜垂直于金属管壳，且中心轴与光传播方向平行，输出滤波片垂直于金属管壳放置于另一端，形成高功率激光器结构。该高功率激光器相比于现有技术具有成本低、体积小、结构简单、光斑好，调节和维修方便等特点。利用该高功率薄型激光模组和高功率激光器可以大大提高生产效率、因此适合大批量自动化生产。

Description

高功率薄型激光模组封装结构及高功率激光器封装

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，尤其涉及一种能够封装简易的高功率薄型激光模组和激光器的结构。 

背景技术

近年来，基于激光技术的投影显示市场由于需求的急剧增长而吸引了大量的关注。因此激光投影产业迫切需要较高功率的红，绿，蓝三基色激光器。其中红色和蓝色半导体二极管激光器已经成熟并且在显示设备中得到了广泛的应用。然而，尽管绿色半导体激光器已经取得了一定的进展，但已报道的研究结果还远远不能满足激光显示的要求。绿色半导体激光器距离批量商业化生产还有一段较长的距离。因此，低成本紧凑型绿光光源成为目前激光显示产业发展的技术瓶颈。为推动激光显示产业的发展，各国的研究人员正全力进行绿光激光器的研究。 

从目前的研究成果来看，通过激光二极管泵浦固体激光器倍频产生绿光的紧凑型绿光激光器是目前解决激光显示绿光技术瓶颈的最佳方案。在倍频绿光固体激光器中，通常包含用来产生1064 nm红外激光的激光晶体和用来产生绿光的非线性光学晶体。对于激光晶体来说，掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)由于其具有增益高，偏振输出，并且在808 nm抽运波长上具有很高的吸收系数等优点，被认为是最佳增益介质。对于非线性晶体来说，目前国内外商用的DPSS绿光激光器主要采用的是KTP或LBO这两种非线性晶体。其中KTP晶体由于非线性系数较大、价格低廉而在市场上有广泛的应用。但使用KTP晶体的DPSS绿光技术存在两种缺陷：一是灰迹效应导致高功率下使用寿命的不稳定性从而只能应用在低功率绿光激光器上，抗灰迹的KTP尽管已有商品化的产品，但价格高昂，二是其绿光输出的偏振态会随着温度的变化而变化，对于含有某些偏振敏感器件的显示系统，这种变化会引起严重的功率变化问题。LBO晶体的抗损伤阈值高，可以用于产生高功率的绿光，但是由于LBO晶体非线性系数小，因此即使在激光显示所需要的中小功率的绿光激光器中，所采用的晶体长度往往也要大于10 mm，这使得基于LBO技术的激光器体积太大而不能够应用于激光显示行业。另外，基于LBO和KTP晶体的绿光激光器的价格比激光显示行业所能够接受的价格高出几十倍。因此激光显示产业迫切需求紧凑、低成本、高效率、高输出功率的绿光激光器。近年来，由于周期性极化技术的不断发展，基于准相位匹配(QPM)的各种周期性极化晶体被广泛用于倍频或其他波长变换领域。其中掺氧化镁周期性极化反转铌酸锂(MgO:PPLN)由于具有抗损伤阈值高、非线性系数大、成本低并且适合大规模工业化生产等优点而被认为是激光显示产业需要的、紧凑高效的绿光激光器的最佳选择。 

但基于外加电场的周期性极化技术制作的MgO：PPLN晶体通常较薄（0.5 mm ~ 1 mm），而传统的LBO和KTP晶体通常厚度都在3 mm左右。因此在传统的分离型腔内倍频固体激光器结构中，由于有最少4个光学元件（泵浦激光器，激光晶体，非线性倍频晶体，耦合输出镜），使用这种薄型晶体会带来更大的调节难度，不易批量生产。为了解决这一问题，专利201110446152.0和专利ZL201120417436.2发明了一种创新的一体化紧凑绿光芯片，将腔内倍频固体激光器的结构简化至2个光学元件，使得基于MgO:PPLN晶体的绿光固体激光器能够达到低成本，大批量的生产，解决了激光显示产业当前面临的绿光激光器方面的技术瓶颈。 

但该一体化紧凑绿光芯片为基于平平腔结构，该结构的优势在于结构简单，但是容易受到热效应的影响导致光斑质量不佳，功率波动。为了拓展该一体化紧凑绿光芯片的应用范围，本专利提出了一种新的解决方案，通过改变晶体镀膜设计和增加输出透镜，将原来的平平腔结构改变为光板质量更好的平凹腔结构，同时还保持了体积小、结构简单、稳定性好等特点。 

实用新型内容

为解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种体积小、结构简单、稳定性好，光束质量高、调节和维修方便的高功率薄型激光模组的封装结构和以此为基础的高功率激光器。 

本实用新型采用的技术方案是： 

本实用新型提出一种高功率薄型激光模组封装结构，包括激光晶体（如Nd:YVO4）、非线性倍频晶体（如PPLN）、和导热基板（如Si）。在芯片通光方向上两晶体之间具有一定距离。导热基板与晶体之间通过夹料粘和。其中激光晶体和非线性倍频晶体上镀有特殊镀膜，激光晶体和非线性倍频晶体的通光面保持平行。 

上述技术方案中，激光晶体的入射面镀808nm增透膜(AR808nm)、1064nm高反膜(HR1064nm)，出射面镀1064nm增透膜(AR1064nm)、532nm高反膜(HR532nm)，在非线性倍频晶体的入射面和出射面镀膜相同，均为532nm和1064nm增透膜(AR532nm、1064nm)。 

上述技术方案中，两晶体通光方向上相对的光学面之间隔出一定距离，所述的距离可以是0到20mm不同的长度取值范围。 

上述技术方案中，夹料可以是可以是导热胶或银胶等。 

以此为基础，本实用新型还提出一种高功率激光器封装，包括LD泵浦光源、腔镜、输出滤波片、以及薄型激光模组，其特点是，上述元件均以金属管壳作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，LD泵浦光源固定在竖直的金属管壳上，所述LD泵浦光源发出的泵浦光照射在所述激光模块上，所述腔镜垂直于金属管壳放置在薄型激光模组输出面位置，输出滤波片垂直于金属管壳放置于腔镜，形成高功率激光器结构。激光晶体、非线性倍频晶体、腔镜共同形成光学谐振腔。 

上述技术方案中，腔镜的一面镀532nm增透膜、1064nm高反膜，腔镜的另一面镀1064nm和532nm的增透膜。 

上述技术方案中，平凹镜垂直于金属管壳，且中心轴与光传播方向平行。平凹镜的凹面面向激光芯片。 

上述技术方案中，平镜垂直于金属管壳，且中心轴与光传播方向平行。 

上述技术方案中，高功率激光器的金属管壳上有1处刻有定位线，所述定位线定位所述激光模块到LD泵浦光源的最佳距离。 

上述技术方案中，高功率激光器的金属管壳上有1处刻有定位线，所述定位线定位所述腔镜到激光模块的最佳距离。 

附图说明

图1a是本实用新型的高功率薄型激光模组的结构框图。 

图1b是本实用新型的高功率薄型激光模组的结构俯视框图。 

图2a是本实用新型的高功率平凹腔型激光器的结构框图。 

图2b是本实用新型的高功率平凹腔型激光器的结构俯视框图。 

图3a是本实用新型的高功率平平腔型激光器的结构框图。 

图3b是本实用新型的高功率平平腔型激光器的结构俯视框图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细的解释和说明。 

需要说明的是，LD泵浦光源用于发射泵浦光，所述泵浦光的波长可以有多种可能。在以下实施例中，所述LD泵浦光源发射的泵浦光的波长为808nm。 

图1a和图1b是一种高功率薄型激光模组封装结构的结构图，该实施例包括激光晶体101和非线性倍频晶体104，在芯片通光方向上两晶体相对于光学面之间通过导热基板102隔出一定距离，导热基板102与晶体之间通过夹料103粘合。其中激光晶体101和非线性倍频晶体104上镀有特殊镀膜，激光晶体101和非线性倍频晶体104的通光面保持平行。其中，激光晶体的入射面镀808nm增透膜(AR808nm，透过率大于99.8%)、1064nm高反膜(HR1064nm，反射率大于99.8%)，出射面镀1064nm增透膜(AR1064nm透过率大于99.8%)、532nm高反膜(HR532nm反射率大于99.8%)，非线性倍频晶体的入射面和出射面镀膜相同，均为532nm和1064nm增透膜(AR532nm，透过率大于98%，AR1064nm，透过率大于99.8%)。导热基板102可以是导热材料（如硅片等）。两晶体通光方向上相对的光学面之间隔出一定距离，所述的距离可以是0到20mm不同的长度取值范围。夹料103可以是导热胶或者银胶等。激光晶体101和非线性倍频晶体104通过夹料103固定在导热基板102上。固定方式可为导热胶，银胶等胶粘，共晶焊接或其他焊接，但不限于此。 

事实上，仅仅有激光芯片是无法满足谐振腔的条件，为此，需要在激光芯片的输出端添加腔镜，使得基频光(1064nm波长)在腔内来回震荡，从而达到较高的能量密度，利于倍频光的输出。 

图2a和图2b是另一种高功率激光器封装的结构图，该实施例包括LD泵浦光源201、输出滤波片204、定位线207和208，以及薄型激光模组202，腔镜203采用平凹镜结构。元件均以金属管壳205作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳206内，LD泵浦光源201固定在竖直的金属管壳206上，LD泵浦光源201发出的泵浦光照射在所述薄型激光模组上，平镜203垂直于金属管壳206放置在激光芯片202输出面位置，且中心轴与光传播方向平行。腔镜203的一面镀532nm增透膜、1064nm高反膜，腔镜203的另一面镀1064nm和532nm的增透膜。此时激光芯片202、晶体上的镀膜以及平凹镜203共同形成光学谐振腔。并且腔镜203的距离影响腔长，因此腔内高斯光束的束腰的位置可以移动到光学倍频晶体上，提高非线性晶体的倍频效率。图2b是本实用新型的高功率激光器的结构俯视图。该实施例中，在金属管壳206刻有定位线207和208，上述定位线208是用来定位LD泵浦光源201和薄型激光模组202的距离，在此距离下，绿光输出功率最佳。一般的，LD泵浦光源201到薄型激光模组202的定位线208间距范围为0.3-5 mm之间。定位线207是用来定位薄型激光模组和腔镜203的距离，在此距离下，绿光输出功率最佳。一般的，薄型激光模组202到腔镜203的定位线207间距范围为0.3-10 mm之间。 

图3a和图3b是一种高功率激光器封装的结构图，该实施例包括LD泵浦光源301、输出滤波片304、定位线307和308，以及薄型激光模组302，腔镜303采用平镜结构。该结构原理与实例2相同，指示在某些应用下，需要采用平平腔结构，而本专利提出的薄型激光模组封装结构同样适用与使用平面输出镜的平平腔结构。 

需要指出的是，以上仅以薄型激光模组为例说明了本实用新型的基本思想。显然，本实用新型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芯片制作。本实用新型可应用于绿光激光器外，还可应用于其它波长的激光器。同时还需要指出的是，以上用于制作的激光晶体可为其他掺杂的增益介质，如掺钕钒酸钆（Nd:GdVO4）等，而非线性倍频晶体可以为其他晶体，例如周期极化的钽酸锂（PPLT），周期极化的磷酸钛氧钾（PPKTP），三硼酸锂（LBO）和磷酸钛氧钾（KTP）等。 

Claims (11)

1.高功率薄型激光模组封装结构及高功率激光器封装，其特征是，包括激光晶体、非线性倍频晶体、和导热基板，在芯片通光方向上两晶体具有一定距离，并通过夹料与导热基板结合，其中激光晶体和非线性倍频晶体通光面上镀有特殊镀膜。

2.根据权利要求1所述的高功率薄型激光模组封装结构及高功率激光器封装，其特征是，所述导热基板是导热材料如硅片。

3.根据权利要求1所述的高功率薄型激光模组封装结构及高功率激光器封装，其特征是，所述激光晶体的入射面镀808nm增透膜AR808nm、1064nm高反膜HR1064nm，出射面镀1064nm增透膜AR1064nm、532nm高反膜HR532nm，在非线性倍频晶体的入射面和出射面镀膜相同，均为532nm和1064nm增透膜AR532nm、1064nm，或者入射面镀1064nm增透膜和532nm高反膜AR1064nm，HR532nm，出射面镀1064nm和532nm增透膜AR532nm、1064nm。

4.根据权利要求1所述的高功率薄型激光模组封装结构及高功率激光器封装，其特征是，两晶体通光方向上相对的光学面之间隔出一定距离，所述的距离可以是0到20mm不同的长度取值范围。

5.根据权利要求1所述的高功率薄型激光模组封装结构及高功率激光器封装，其特征是，所述夹料可以是导热胶或金属焊料。

6.高功率激光器封装，包括LD泵浦光源、腔镜、输出滤波片、薄型激光模组，其特征是，上述元件均以金属管壳作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，LD泵浦光源固定在竖直的金属管壳上，所述LD泵浦光源发出的泵浦光照射在所述薄型激光模组上，所述腔镜垂直于金属管壳放置在激光芯片输出面位置，输出滤波片垂直于金属管壳放置于腔镜，形成高功率激光器结构，激光晶体、非线性倍频晶体、腔镜共同形成光学谐振腔。

7.根据权利要求6所述的高功率激光器封装，其特征是，腔镜的一面镀532nm增透膜、1064nm高反膜，腔镜的另一面镀1064nm和532nm增透膜。

8.根据权利要求6所述的高功率激光器封装，其特征是，所述的平凹镜垂直于金属管壳，且中心轴与光传播方向平行,平凹镜的凹面面向激光芯片。

9.根据权利要求6所述的高功率激光器封装，其特征是，所述的平镜垂直于金属管壳，且中心轴与光传播方向平行。

10.根据权利要求6所述的高功率激光器封装，其特征是，所述高功率激光器的金属管壳上有1处刻有定位线，所述定位线定位所述激光模块到LD泵浦光源的最佳距离。

11.根据权利要求6所述的高功率激光器封装，其特征是，所述高功率激光器的金属管壳上有1处刻有定位线，所述定位线定位所述腔镜到薄型激光模组的最佳距离。