CN209542971U - 一种实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，属于半导体激光器封装领域，包括半导体激光器、带透镜的管帽和光斑接收屏，所述管帽封装于半导体激光器出光方向的前端，所述管帽的内孔前部镶嵌有凸透镜，所述凸透镜的主光轴与半导体激光器的出光方向轴线重合，所述光斑接收屏置于半导体激光器出光方向的前方。将管帽与凸透镜封装在一起，保证了激光器发光点、凸透镜主光轴在一条直线上，达到准直的目的，简单方便，使光斑整形及匀化一体化，解决了后续用户的使用麻烦，快捷实用。

Description

一种实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置

技术领域

本实用新型涉及一种实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，属于半导体激光器封装技术领域。

背景技术

半导体激光器的光斑形状及光束均匀性决定了半导体器件应用方向，半导体激光器封装及制造中光斑形状处理是非常重要的工艺，该工艺的好坏，不仅仅影响半导体器件的光斑好坏，还会直接影响最终市场对激光器质量好坏的评价，同时对半导体激光器的使用上也会产生很大影响。

半导体激光器是较为重要的一类激光器。它具有体积小、寿命长、功耗低、价格低廉等特点，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成，并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距、显示、激光照明以及雷达等方面获得了广泛的应用。与此同时鉴于激光器应用要求的严格性，而半导体激光器本身又存在比较明显的缺陷，如参数的一致性控制较难、光束质量的差异及方向性容易出现偏差等，这些问题在封装过程更容易被放大，影响其使用，因此要想获得较好的光斑质量，如何实现半导体激光器光斑形状的优化及光束匀化对推动半导体激光器的市场应用具有关键性作用。

目前，在工业生产、民用及娱乐指示行业，TO封装的半导体激光器是最普遍的一种激光器，在激光器的生产加工中，尤其国产化生产中，受半导体激光器发光区结构的影响，半导体激光器出光快慢轴发散角偏差较大，如果在封装过程不采用特殊结构对光型做处理，往往难以满足最终市场的要求，影响激光器的使用。

TO封装是半导体激光器封装形式中常见的一种，在小功率激光器的封装中应用比较广泛。TO类封装的半导体激光器的封装形式多样性，规格、尺寸呈现多样化，如TO18、TO9、TO3、TO3.3等，一般将激光器芯片烧结于长方体形的热沉上，再将热沉与芯片的结合体烧结于散热TO管座上，再做封帽保护处理，半导体激光器其发射的光斑为椭圆形，快慢轴的比值比较大，通常超过2:1，是一个椭圆形，而且可见光在距离半导体激光器发光点越远的位置接收到的光斑尺寸越大，无法直接实现短距离内光斑比较集中的效果，也无法满足后端客户的使用。这样就需要在半导体激光器封装完成后再加一系列特殊结构及装置实现半导体激光器光型的调整。

中国专利文献CN104375273B公开了一种高功率半导体激光器光斑整形装置，采用芯片放置平台和探针通电装置通过快速固定装置连接成一体，半导体激光器芯片放置在芯片放置平台上，快速固定装置压下使探针通电装置的探针接触半导体激光器芯片电极完成对半导体激光器芯片通电；多透镜截取装置安装在六维精密调节架的滑动轨道上，多透镜截取装置上安装多个微细透镜，每个微细透镜与半导体激光器芯片的光束弧矢方向水平；半导体激光器芯片出光中心、透镜中心、光斑分析仪的探头中心在一个水平线上，通过利用探针的弹性自动调节探针对半导体激光器芯片的压力，保证良好的电接触同时实现对半导体激光器芯片的固定，克服目前高功率半导体激光器光斑整形方面遇到的困难，但是该方法主要是针对大功率封装的半导体激光器芯片的固定和光斑整形，与TO封装的半导体激光器的结构、方法大不一样且形式复杂、一体化集成度不高，没有涉及TO封装的半导体激光器光斑匀化整形装置。

中国专利文献CN104950452A公开了一种半导体激光器照明模组的光斑匀化装置，是通过依次设置半导体激光器，微透镜，光学匀化片和平凸透镜，所述半导体激光器，微透镜，光学匀化片和平凸透镜位于同一水平直线上。由半导体激光器发出激光，照射到微透镜上，激光经过双面微透镜阵列后，先被微透镜中的第一组微透镜单元分裂为多束光，然后在第二组微透镜阵列中相互交叠，将光斑进行匀化；出射光束再经过光学匀化片进行双重匀化，有效避免了激光光束在通过第二层阵列时的干涉问题，使激光光束能量更加均匀；匀化后的光束最后经过平凸透镜，通过改变平凸透镜与光学匀化片之间的距离，可以调节出射光束的发散角，根据不同焦距的摄像机镜头进行匹配，应用于不同场合；但是，此发明涉及装置较多，多重组合，没有涉及到半导体激光器光斑整形匀化在封装结构上能够通过一体化装置实现的方式。

发明内容：

针对现有技术中半导体激光器出光发散角大、光斑快慢轴比例偏差等的不足，本实用新型提供一种实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，使椭圆光斑变换成圆形、能量均匀的光斑。

本实用新型采用以下技术方案：

一种实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，包括半导体激光器、带透镜的管帽和光斑接收屏，所述管帽封装于半导体激光器出光方向的前端，所述管帽的内孔前部镶嵌有凸透镜，所述凸透镜的主光轴与半导体激光器的出光方向轴线重合，所述光斑接收屏置于半导体激光器出光方向的前方。本实用新型将凸透镜镶嵌在管帽上，可根据半导体激光器发光芯片的具体快慢轴发散角设计凸透镜到半导体激光器发光点的距离。

优选的，半导体激光器设置有发光芯片，发光芯片发出的光斑的慢轴方向全部射入凸透镜上，快轴方向的两侧光被管帽拦截，快轴方向上和慢轴相同尺寸的中间部分的光射入凸透镜上，即管帽将半导体激光器快轴方向的光进行拦截，只留中间部分(与慢轴相同尺寸的部分)的光照射到凸透镜上，经凸透镜汇聚后在主光轴方向形成圆形光斑，光斑尺寸变为1：1的关系，并且经凸透镜聚焦作用可实现光斑短距离匀化、尺寸变小的效果，为后续使用提供更好的光斑形状。

半导体激光器还连接有与其相匹配的驱动电源，驱动电源为半导体激光器提供恒定的电流和电压输出，激光器能够正常工作，使用时，将半导体激光器接入带有驱动电源的电路中，光斑接收屏与半导体激光器的出光孔正对，使经过凸透镜整形及聚焦后的光点能直接打在光斑接收屏上，可以明确判定出发光芯片发出的光点的形状及光点大小。

优选的，所述管帽的内孔大于所述凸透镜的直径，以便凸透镜能够嵌入管帽的出光孔端，所述凸透镜的主光轴与管帽内孔轴线重合。凸透镜的大小可根据半导体激光器出光孔的尺寸进行选择。

优选的，所述半导体激光器与管帽焊接连接，焊接后，半导体激光器的发光点和凸透镜出光方向的轴线在一条线上，达到准直的目的。

进一步优选的，所述光斑接收屏通过支架设置在半导体激光器出光方向的前方。

理想状态下，发光芯片的出光点位凸透镜的主光轴上，出射光垂直入射到凸透镜上，经过凸透镜出射后形成平行光线，该装置巧妙利用半导体激光器出光发散角度，使得半导体激光器光斑照射到凸透镜上后，慢轴方向光斑全部出射到凸透镜、快轴方向超出凸透镜边缘的部分被管帽内壁遮挡，只有和快轴相同尺寸的光斑经凸透镜汇聚后射出，最终沿主光轴方向以圆形光斑投射在光屏上。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型的管帽将半导体激光器快轴方向的光进行拦截，只留中间部分(与慢轴相同尺寸的部分)的光照射到凸透镜上，经凸透镜汇聚后在主光轴方向形成圆形光斑，光斑尺寸变为1：1的关系，并且经凸透镜聚焦作用可实现光斑短距离匀化、尺寸变小的效果，为后续使用提供更好的光斑形状。

该装置利用凸透镜对激光器出射的光斑进行聚焦匀化，并可根据激光器的快慢轴发散角度设置凸透镜镜到发光点的距离，利用管帽对激光器出射光斑在水平和垂直方向进行整形、匀化，从而使快慢轴发散角相差较大的椭圆光斑变换为近似圆形、均匀的光斑。

本实用新型将管帽与凸透镜封装在一起，保证了激光器发光点、凸透镜主光轴在一条直线上，达到准直的目的，简单方便，使光斑整形及匀化一体化，解决了后续用户的使用麻烦，快捷实用。

附图说明：

图1为半导体激光器发出的椭圆形光斑的快轴、慢轴示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型中管帽与凸透镜的配合关系示意图；

其中，1-半导体激光器，2-管帽，3-光斑接收屏，4-凸透镜，5-发光芯片，6-圆形光斑，7-支架。

具体实施方式：

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本实用新型未详尽说明的，均按本领域常规技术。

术语解释：

主光轴：凸透镜两个球面的球心的连线。

快轴、慢轴：半导体激光器由发光芯片发出的光斑为椭圆形，快慢轴如图2所示，通常会超过2：1。

实施例1：

如图2～3所示，一种实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，包括半导体激光器1、带透镜的管帽2和光斑接收屏3，管帽2封装于半导体激光器1出光方向的前端，管帽2的内孔前部镶嵌有凸透镜4，凸透镜4的主光轴与半导体激光器1的出光方向轴线重合，光斑接收屏3置于半导体激光器1出光方向的前方。本实用新型将凸透镜4镶嵌在管帽2上，可根据半导体激光器发光芯片的具体快慢轴发散角设计凸透镜到半导体激光器发光点的距离。

实施例2：

一种实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，结构如实施例1所示，所不同的是，半导体激光器1设置有发光芯片5，发光芯片5发出的光斑的慢轴方向全部射入凸透镜4上，快轴方向的两侧光被管帽拦截，快轴方向上和慢轴相同尺寸的中间部分的光射入凸透镜4上，即管帽2将半导体激光器1快轴方向的光进行拦截，只留中间部分(与慢轴相同尺寸的部分)的光照射到凸透镜4上，经凸透镜4汇聚后在主光轴方向形成圆形光斑6，光斑尺寸变为1：1的关系，并且经凸透镜聚焦作用可实现光斑短距离匀化、尺寸变小的效果，为后续使用提供更好的光斑形状。

实施例3：

一种实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，结构如实施例1所示，所不同的是，管帽2的内孔大于凸透镜4的直径，以便凸透镜4能够嵌入管帽2的出光孔端，凸透镜4的主光轴与管帽内孔轴线重合。

实施例4：

一种实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，结构如实施例1所示，所不同的是，半导体激光器1与管帽2焊接连接。

实施例5：

一种实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，结构如实施例4所示，所不同的是，光斑接收屏3通过支架7设置在半导体激光器1出光方向的前方。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，其特征在于，包括半导体激光器、带透镜的管帽和光斑接收屏，所述管帽封装于半导体激光器出光方向的前端，所述管帽的内孔前部镶嵌有凸透镜，所述凸透镜的主光轴与半导体激光器的出光方向轴线重合，所述光斑接收屏置于半导体激光器出光方向的前方。

2.根据权利要求1所述的实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，其特征在于，所述半导体激光器发出的光斑的慢轴方向全部射入凸透镜上，快轴方向的两侧光被管帽拦截，快轴方向上和慢轴相同尺寸的中间部分的光射入凸透镜上。

3.根据权利要求2所述的实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，其特征在于，所述管帽的内孔大于所述凸透镜的直径，所述凸透镜的主光轴与管帽内孔轴线重合。

4.根据权利要求3所述的实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，其特征在于，所述半导体激光器与管帽焊接连接。

5.根据权利要求4所述的实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，其特征在于，所述光斑接收屏通过支架设置在半导体激光器出光方向的前方。