CN215497523U - 紧凑型激光光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紧凑型激光光源，包括依次相互配合的激光器(1)、第二微透镜阵列(2)和汇聚透镜(3)；所述激光器(1)包括壳体(101)，壳体(101)上设有一组矩形阵列均匀分布且相互独立的垂直安装腔(102)，垂直安装腔(102)内设有半导体激光器(4)；所述半导体激光器(4)包括依次分布的P‑DBRs层(401)、AlAs层(402)、第一氧化限制层(403)、P面电极(404)、电流引导层(405)、第二氧化限制层(406)、有源区(407)、N‑DBRs(408)、衬底层(409)和N面电极(410)，所述衬底层(408)底部还设有光束发散角准直球面镜(5)。本实用新型具有装调工艺步骤简单以及体积较小的特点。

Description

紧凑型激光光源

技术领域

本实用新型涉及一种激光光源，特别是一种紧凑型激光光源。

背景技术

激光是一种亮度很高的光源，它可以将所有的光能集中在一个非常小的立体角内发射，通常激光的发散角在mrad量级，因此其能量密度为普通光源能量密度的百万倍以上。高能量密度的特性，可以很好的满足一些激光应用的需求，然而由于激光的能量分布是呈现高斯分布的，即中心能量最高，往外能量越来越低的特性，这本质上是激光能量分布不均匀的现象。此现象严重地限制了其在激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光指示以及激光医疗等领域的应用。为了改善激光器分布不均匀的现象，需要对激光器输出的光束进行整形，使得激光束的能量分布为均匀的分布。

光束整形是对光束的强度和相位重新分布的过程。整形光束的相位分布决定了很大范围内的光束传输特性。常用的光束整形方法包括：非球面透镜组、双折射透镜组、空间光调制器、二元光学元件以及微透镜阵列等。其中，微透镜阵列通常应用在激光相干度不高的激光器(比如半导体激光器阵列)的光束整形中，一般起到分割波前的作用。然而，常规的边发射半导体激光器阵列在入射到微透镜阵列前，需要经过复杂的光束的重排以及准直的过程，其工艺步骤复杂，并且附加的光学系统使得整体的体积变大。因此，现有的技术存在着装调工艺步骤复杂以及体积较大的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种紧凑型激光光源。本实用新型具有装调工艺步骤简单以及体积较小的特点。

本实用新型的技术方案：紧凑型激光光源，包括依次相互配合的激光器、第二微透镜阵列和汇聚透镜；所述激光器包括壳体，壳体上设有一组矩形阵列均匀分布且相互独立的垂直安装腔，垂直安装腔内设有半导体激光器；所述半导体激光器包括依次分布的P-DBRs层、AlAs层、第一氧化限制层、P面电极、电流引导层、第二氧化限制层、有源区、N-DBRs、衬底层和N面电极，所述衬底层底部还设有光束发散角准直球面镜。

前述的紧凑型激光光源中，衬底层与光束发散角准直球面镜之间的厚度比为1:5～1：1。

前述的紧凑型激光光源中，光束发散角准直球面镜的曲率半径为100μm^-1～20mm^-1。

前述的紧凑型激光光源中，光束发散角准直球面镜的轴线与相对应的半导体激光器共轴。

前述的紧凑型激光光源中，光束发散角准直球面镜的底面超出半导体激光器的底平面，超出尺寸为1～10μm。

前述的紧凑型激光光源中，所述光束发散角准直球面镜表面镀有增透膜层。

前述的紧凑型激光光源中，第二微透镜阵列中的微透镜与相应的光束发散角准直球面镜的轴线一一对应。

前述的紧凑型激光光源中，所述第二微透镜阵列固定于调整架。

与现有技术相比，本实用新型由相互配合的激光器、第二微透镜阵列和汇聚透镜组成，而激光器又由壳体、矩形阵列均布在壳体上的垂直腔面发射的半导体激光器组成，此半导体激光器可以很容易的进行二维面阵的集成，从而省掉了光束重排的工艺过程，而且直接在衬底上制作光束发射角准直球面镜，无需装调，简化了工艺流程提高了生产的效率；而且此时光束发射角准直球面镜不会对半导体激光器的波前进行分割，而起到对每一个单管进行准直的作用，经过第二微透镜阵列进行整形，而后通过透镜聚焦，所有的单管半导体激光器的光斑会叠加在一起，从而增加了光斑的均匀性。本实用新型所设计的激光光源结构紧凑，工艺简单，体积微小(体积可以做到小于10mm×10mm×10mm(长×宽×高))，造价低廉，并且可以高度集成在某些设备中；本实用新型激光的输出均匀性显著提高，光斑均匀(均匀性＞85％)，器件结构紧凑，输出功率高具有非常重要的应用前景。综上所述，本实用新型具有装调工艺步骤简单以及体积较小的特点。

附图说明

图1是紧凑型激光光源结构原理图；

图2是半导体激光器的结构原理图；

图3是半导体激光器矩形排布模型图；

图4是半导体微透镜阵列模型图；

图5是激光器的剖视图。

附图中的标记为：1-激光器，2-第二微透镜阵列，3-汇聚透镜，101-壳体，102-垂直安装腔，4-半导体激光器，5-光束发散角准直球面镜，401-P-DBRs层，402-AlAs层，403-第一氧化限制层，404-P面电极，405-电流引导层，406-第二氧化限制层，407-有源区，408-N-DBRs，409-衬底层，410-N面电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。

实施例。紧凑型激光光源，构成如图1至图5所示，包括依次相互配合的激光器1、第二微透镜阵列2和汇聚透镜3；所述激光器1包括壳体101，壳体101上设有一组矩形阵列均匀分布且相互独立的垂直安装腔102，垂直安装腔102内设有半导体激光器4；所述半导体激光器4包括依次分布的P-DBRs层401、AlAs层402、第一氧化限制层403、P面电极404、电流引导层405、第二氧化限制层406、有源区407、N-DBRs408、衬底层409和N面电极410，所述衬底层408底部还设有光束发散角准直球面镜5。

所述光束发散角准直球面镜5通过离子束湿法刻蚀方式生产制得。

衬底层409与光束发散角准直球面镜5之间的厚度比为1:5～1：1。

光束发散角准直球面镜5的曲率半径为100μm^-1～20mm^-1。

光束发散角准直球面镜5的轴线与相对应的半导体激光器4共轴。

光束发散角准直球面镜5的底面超出半导体激光器4的底平面，超出尺寸为1～10μm。即光束发散角准直球面镜5的底面超出N面电极410底面1-10μm。

所述光束发散角准直球面镜5表面镀有增透膜层。

第二微透镜阵列2中的微透镜与相应的光束发散角准直球面镜5的轴线一一对应。

所述第二微透镜阵列2固定于调整架。

本实用新型基于垂直表面出光的半导体激光器(VCSELs)，其具体的结构从上到下分别为：P-DBRs、AlAs层、第一氧化限制层、P面电极、电流引导层、第二氧化限制层、有源区、N-DBRs、衬底层、N面电极，如图2所示。

其中，P-DBRs为高低折射率半导体材料交替生长而成，其主要作用是构成激光器谐振腔的高反射率反射镜部分，组成P-DBRs的半导体材料为本征半导体，本征半导体可以最大限度的减少对光的散射和吸收。P-DBRs的中心区域经过湿法腐蚀后，其厚度变薄，如此可保证中心区域的反射率小于边界区域的反射率，因此中心区域的阈值增益将大于边界区域的反射率，因此在激光激射时，可保证边界处率先激射激光，而中心处由于很难满足激光震荡条件不会激射激光，保证激光激射环形光斑。

其中，氧化限制层为掺杂的AlAs半导体材料经过湿法氧化而成。其目的是作为台面刻蚀的阻挡层，防止在台面刻蚀时的过渡腐蚀，并且能对光进行一定的约束，提高光束的光束质量。

其中，P面电极为钛铂金，与电流引导层可以形成欧姆接触，方便电流的注入。

其中，电流引导层为高掺杂的GaAs材料，其目的是将电极处的载流子引导注入到有源区。

其中，第一氧化限制层与第二氧化限制层是完全相同的材料，经过湿法氧化后，AlAs被氧化成绝缘的Al2O3，第二氧化限制层不仅能对腔内震荡的光波进行约束，最重要的是对载流子的约束的作用，可以有效的将载流子约束在边缘附近，降低阈值，提高效率。

其中，有源区为多周期的量子阱材料，其作用是作为激光器激射的增益介质。

其中，N-DBRs同P-DBRs一样，为高低折射率半导体材料交替生长而成，其主要作用是构成激光器谐振腔的低反射率反射镜部分，作为激光输出的端口。构成N-DBRs的半导体材料为掺杂半导体，掺杂半导体材料可以将N面电极注入的载流子引导至有源区内。

其中，N面电极为金锗镍金的合金材料，其目的是注入载流子。

激光器排布方式

本实用新型要求所设计的激光器面阵中，半导体激光器单管的排布要均匀且对称，为了方便在衬底制作微透镜阵列时更好的对准套刻，本实用新型所设计的排布方式为矩形填充阵列，如图所示为6×6的阵列模型：

半导体微透镜阵列，由多个光束发散角准直球面镜组成。

VCSELs单管的发散角一般在15°左右，为了提高光束的利用率，需要对每一个单管进行光束的准直，本实用新型提出直接在VCSELs的衬底上制作球面镜如图2所示，对光束的发散角进行准直。

其中，球面镜是通过离子束刻蚀得到的；

其中，任意一个球面镜的轴线与相对应的VCSEL单管共轴；

其中，球面镜是通过与台面对应的套刻工艺对轴线进行对准。

其中，任意一个球面镜的尺寸稍大于VCSEL单管的台面尺寸，保证第二微透镜阵列与半导体微透镜阵列中的微透镜(光束发散角准直球面镜)轴线一一对应，且两端表面镀有对入射光增透的膜层，为提高光束的利用效率，将第二微透镜阵列安置在调整架上，通过微调其位置，可以得到更好的效果；

本实用新型基于垂直表面出光的半导体激光阵列，阵列中的每一个半导体激光器单管为相互独立的发光单元，彼此之间没有任何的联系。所有的半导体激光器单元都是在同一芯片上经过同一工艺制作而成，不同的单元经过光刻台面后彼此关系分离。经过准直的光束经过第二排微透镜阵列以及汇聚透镜后汇聚到透镜的焦平面处叠加。其结构原理如附图1所示，其中VCSELs面阵(由多个半导体激光器组成)，第一微透镜阵列(由多个光束发散角准直球面镜组成)，第二微透镜阵列，汇聚透镜。具体的技术方案如下：

①VCSELs阵列为高密度的排布结构。单管尺寸为大孔径的单管。

②第一微透镜阵列对VCSELs阵列的光起到准直的作用。每一个光束发散角准直球面镜与一个半导体激光器单管相对应，

③第二微透镜阵列与汇聚透镜将所有半导体激光器单管发出的光进行叠加。第二微透镜阵列与第一微透镜阵列的每一个微透镜轴线位置相互重合。

Claims (8)

1.紧凑型激光光源，其特征在于：包括依次相互配合的激光器(1)、第二微透镜阵列(2)和汇聚透镜(3)；所述激光器(1)包括壳体(101)，壳体(101)上设有一组矩形阵列均匀分布且相互独立的垂直安装腔(102)，垂直安装腔(102)内设有半导体激光器(4)；所述半导体激光器(4)包括依次分布的P-DBRs层(401)、AlAs层(402)、第一氧化限制层(403)、P面电极(404)、电流引导层(405)、第二氧化限制层(406)、有源区(407)、N-DBRs(408)、衬底层(409)和N面电极(410)，所述衬底层(409)底部还设有光束发散角准直球面镜(5)。

2.根据权利要求1所述的紧凑型激光光源，其特征在于：衬底层(409)与光束发散角准直球面镜(5)之间的厚度比为1:5～1：1。

3.根据权利要求1所述的紧凑型激光光源，其特征在于：光束发散角准直球面镜(5)的曲率半径为100μm^-1～20mm^-1。

4.根据权利要求1所述的紧凑型激光光源，其特征在于：光束发散角准直球面镜(5)的轴线与相对应的半导体激光器(4)共轴。

5.根据权利要求1所述的紧凑型激光光源，其特征在于：光束发散角准直球面镜(5)的底面超出半导体激光器(4)的底平面，超出尺寸为1～10μm。

6.根据权利要求1所述的紧凑型激光光源，其特征在于：所述光束发散角准直球面镜(5)表面镀有增透膜层。

7.根据权利要求1所述的紧凑型激光光源，其特征在于：第二微透镜阵列(2)中的微透镜与相应的光束发散角准直球面镜(5)的轴线一一对应。

8.根据权利要求1所述的紧凑型激光光源，其特征在于：所述第二微透镜阵列(2)固定于调整架。

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