CN216251614U - 一种半导体激光器系统 - Google Patents

Abstract

一种半导体激光器系统，包括：若干个发光封装单元，所述发光封装单元包括：管座；位于所述管座一侧的封帽，所述封帽和所述管座围成闭合腔体，所述封帽包括出光区；半导体激光器芯片，所述半导体激光器芯片位于所述闭合腔体中；若干个准直单元；若干个成像结构，所述成像结构分别位于所述出光区和所述准直单元之间，所述成像结构适于将所述半导体激光器芯片的出光面处的光斑成像在所述成像结构与所述准直单元之间。所述半导体激光器系统同时兼顾半导体激光器系统的可靠性较高、输出功率高和光束质量高。

Description

一种半导体激光器系统

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体激光器系统。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长，波长范围广等优点，近年来得到了快速的发展，随着应用范围的扩展，对激光功率的需求也越来越高。现有技术中制作高功率光纤耦合输出半导体激光器时，通常需先对快轴和慢轴方向大角度的发散光进行准直，再耦合进输出光纤。而在现有技术中，对于将多芯片耦合到一根光纤的情况，无法同时兼顾半导体激光器系统的可靠性较高、输出功率高和光束质量高。因此，现有的半导体激光器系统仍有待改进。

实用新型内容

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中半导体激光器系统无法同时兼顾半导体激光器系统的可靠性较高、输出功率高和光束质量高的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种半导体激光器系统，包括：若干个发光封装单元，所述发光封装单元包括：管座；位于所述管座一侧的封帽，所述封帽和所述管座围成闭合腔体，所述封帽包括出光区；半导体激光器芯片，所述半导体激光器芯片位于所述闭合腔体中；若干个准直单元；若干个成像结构，所述成像结构位于所述出光区和所述准直单元之间，所述成像结构适于将所述半导体激光器芯片的出光面处的光斑成像在所述成像结构与所述准直单元之间。

可选的，所述若干个发光封装单元呈阵列排布。

可选的，所述成像结构包括第一正柱面透镜和第二正柱面透镜透镜；所述第一正柱面透镜包括第一柱面和与第一柱面相对设置的第一平面，所述第二正柱面透镜包括第二柱面和与第二柱面相对设置的第二平面，所述第二柱面与所述第一柱面相对设置，所述第一柱面和所述第二柱面位于第一平面和第二平面之间。

可选的，所述第二正柱面透镜的焦距大于或等于所述第一正柱面透镜的焦距的0.5倍且小于或等于所述第一正柱面透镜的2倍。

可选的，所述半导体激光器芯片出光面设置在所述第一正柱面透镜背向所述第二正柱面透镜一侧的焦点位置。

可选的，所述成像结构包括沿着所述出光区至所述准直单元的光路路径上依次间隔设置的第一球面镜至第N球面镜，N为大于或者等于1的整数。

可选的，N＝1；所述半导体激光器芯片的出光面至所述第一球面镜的中心的距离大于所述第一球面镜的焦距的1倍且小于所述第一球面镜的焦距的3倍；所述半导体激光器芯片的出光面处光斑的成像位置至所述第一球面镜中心的距离大于所述第一球面镜的焦距的1倍且小于所述第一球面镜的焦距的3倍。

可选的，所述准直单元包括快轴准直镜，所述成像结构适于将所述半导体激光器芯片的出光面处的光斑成像在所述快轴准直镜朝向所述成像结构一侧的焦点位置。

可选的，所述快轴准直镜的焦距为100um至2000um。

可选的，还包括：在所述快轴准直镜射出的光的光路上依次设置的慢轴准直镜、45度反射镜、聚焦透镜和光纤。

本实用新型，具有如下优点：

本实用新型提供的半导体激光器系统，所述出光区适于将所述半导体激光器芯片出射的光透过，所述封帽和所述管座围成闭合腔体，所述半导体激光器芯片位于所述闭合腔体中，可以防止外界环境对所述半导体激光器芯片的不良影响，提高了半导体激光器芯片的可靠性；其次，利用所述成像结构将所述半导体激光器芯片的出光面光斑成像在所述成像结构与所述准直单元之间，使得准直单元的选择不受到半导体激光器芯片的出光面到封帽包括出光区之间的距离的限制，准直单元可以选择焦距较小，因此准直单元出射的光的光束宽度能够变得较小，减小了准直单元的体积和光路长度，若干个准直单元能排布的较为紧凑，因此半导体激光器系统的输出功率较高、光束质量高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的半导体激光器系统中的发光封装单元的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例提供的半导体激光器系统中的发光封装单元的俯视图；

图3为本实用新型一实施例提供的半导体激光器系统中的发光封装单元的内部示意图；

图4为本实用新型一实施例提供的半导体激光器系统结构示意图；

图5为本实用新型另一实施例提供的半导体激光器系统完整光路的结构示意图；

图6为本实用新型另一实施例提供的半导体激光器系统结构示意图。

具体实施方式

经过发明人研究发现，半导体激光器芯片的出射光束在快轴方向的发散角一般约为20°～40°，半导体激光器芯片的出射光束在慢轴方向的发散角约为6°～10°，而将这种不对称的光斑耦合进输出光纤中，需要先对光斑进行整形。

一种方法是分别在快轴方向和慢轴方向对光束进行准直之后再聚焦到光纤中，而对于将多个半导体激光器芯片耦合到一根光纤的情况，是利用裸半导体激光器芯片，将裸半导体激光器芯片贴片到热沉上，再排列起来，每一个裸半导体激光器芯片都用短焦距的快轴准直镜准直，再通过反射镜对多束光进行空间排列，之后聚焦耦合入光纤。这种方法，由于半导体激光器芯片裸露，则可以直接用小焦距的快轴准直镜，但是对于某些特定波长范围的半导体激光芯片，裸露的半导体激光器芯片的工作稳定性受到影响，半导体激光器芯片的可靠性降低。

另一种方法为：而对于某些波长，采用同轴封装(TO封装)的方式将半导体激光器芯片封装后得到发光封装单元，发光封装单元比较常见且易于获得。由于半导体激光器芯片被封装起来，避免了外界环境对所述半导体激光器芯片的不良影响，提高了可靠性。然而，发光封装单元中的半导体激光器芯片通过封帽的出光区输出光，半导体激光器芯片的出光面到封帽的出光区有一定距离，这就要求快轴准直镜的工作距离必须大于该距离，但是常规的快轴准直镜工作距离一般都远小于这个距离，所以必须用更大焦距的快轴准直镜，而大焦距的快轴准直镜形成的光束宽度变大，增大了后续光学整形系统的体积和光路长度，无法做到紧凑，导致输出功率较低、光束质量差。

因此无法同时兼顾半导体激光器系统的可靠性较高、输出功率高和光束质量高的问题。

在此基础上，本实用新型提供一种半导体激光器系统，所述半导体激光器系统同时兼顾半导体激光器系统的可靠性较高、输出功率高和光束质量高。

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实用新型一实施例提供一种半导体激光器系统，参考图1至图4，包括：

若干个发光封装单元1，所述发光封装单元1，参考图1至图3，包括：管座101；位于所述管座101一侧的封帽102，所述封帽102和所述管座101围成闭合腔体，所述封帽102包括出光区103；半导体激光器芯片104，所述半导体激光器芯片104位于所述闭合腔体中；

若干个准直单元3；

若干个成像结构2，所述成像结构2分别位于所述出光区103和所述准直单元3之间，所述成像结构2适于将所述半导体激光器芯片104的出光面处的光斑成像在所述成像结构2与所述准直单元3之间。

所述出光区103适于将所述半导体激光器芯片104出射的光透过，所述封帽102和所述管座101围成闭合腔体，所述半导体激光器芯片104位于所述闭合腔体中，可以防止外界环境对所述半导体激光器芯片104的不良影响，使得半导体激光器芯片104的可靠性提高。

所述半导体激光器芯片104具有结构简单、外形小巧、易于集成、使用灵活方便、可大批量生产、成本低廉等特点。

本实施例中，若干个发光封装单元1呈阵列排布。所述成像结构2包括第一正柱面透镜201和第二正柱面透镜202，第一正柱面透镜201包括第一柱面和与第一柱面相对设置的第一平面，第二正柱面透镜202包括第二柱面和与第二柱面相对设置的第二平面；第二柱面与第二柱面相对设置，第二柱面与第二柱面位于第二平面和第二平面之间。

所述第二正柱面透镜202的焦距大于或等于所述第一正柱面透镜201的焦距的0.5倍且小于或等于所述第一正柱面透镜201的焦距的2倍。

在本实施例中，所述第二正柱面透镜202的焦距等于所述第一正柱面透镜201的焦距。

所述半导体激光器芯片104出光面设置在所述第一正柱面透镜201背向所述第二正柱面透镜202一侧的焦点位置。

在一个实施例中，所述第1个第一正柱面透镜201和所述第1个第二正柱面透镜202之间的距离尽量小，具体的距离可根据具体的情况设定。

所述准直单元3包括快轴准直镜301，所述成像结构2适于将所述半导体激光器芯片104的出光面处的光斑成像在所述快轴准直镜301朝向所述成像结构2一侧的焦点位置。

在一个实施例中，所述快轴准直镜301的焦距为100um至2000um，比如500um,所述快轴准直镜301的焦距较小，因此在同等聚焦系统下，快轴方向上的光斑排列更为紧密，利于获得更高输出功率和更高光束质量的半导体激光器系统。

所述快轴准直镜301用于对成像结构2成像的光斑在快轴方向进行准直。

所述快轴准直镜301为常规快轴准直镜，不需要复杂的光学系统，结构紧凑，实施过程简便易行。

本实施例中，参考图1，所述发光封装单元1还包括，接线柱105，所述半导体激光器芯片104与所述接线柱105连接。

本实施例中，参考图3，所述发光封装单元1还包括：热沉106，所述热沉106位于所述管座101的一侧且与所述管座101固定，所述半导体激光器芯片104位于所述热沉106背向所述管座的一侧。

在其他实施例中，所述热沉位于所述管座的一侧且与所述管座固定，所述半导体激光器芯片位于所述热沉的侧部，半导体激光器芯片在管座上的投影和热沉在管座上的投影至少部分不重合。

在其他实施例中，发光封装单元不局限于上述结构。

参考图5，所述半导体激光器系统还包括在所述快轴准直镜301射出的光的光路上依次设置的慢轴准直镜302、45度反射镜4、聚焦透镜5和光纤6。

图6为本实用新型另一实施例提供的半导体激光器系统结构示意图。

本实施例提供的半导体激光器系统与前一实施例提供的半导体激光器系统的区别在于：参考图6，成像结构2’与前述实施例的成像结构2不同。

本实施例中，所述成像结构2’包括沿着所述出光区至所述准直单元的光路路径上依次间隔设置的第一球面镜至第N球面镜，N为大于或者等于1的整数。

在一个实施例中，当N大于或等于2时，所述第一球面镜至第N球面镜的焦距相等。在其他实施例中，所述第一球面镜至第N球面镜的焦距不相等。当N大于或等于2时，所述第一球面镜至第N球面镜所构成的光学系统复杂，所述第一球面镜至第N球面镜之间的间距可根据实际情况去设定，所述第一球面镜至第N球面镜可以减小系统误差。

第一球面镜至第N球面镜中任一球面镜能在快轴方向和慢轴方向对所述半导体激光器芯片104出射的光斑同时进行成像也能只对快轴方向的光斑成像。

本实施例中，以N等于1为示例，参考图6，所述成像结构2’包括沿着所述出光区103至所述准直单元3的光路路径上设置的第一球面镜。

本实施例中，N等于1，所述半导体激光器芯片的出光面至所述第一球面镜的中心的距离大于所述第一球面镜的焦距的1倍且小于所述第一球面镜的焦距的3倍；所述半导体激光器芯片的出光面处光斑的成像位置至第一球面镜的中心的距离大于所述第一球面镜的焦距的1倍且小于所述第一球面镜的焦距的3倍。

在一个实施例中，所述半导体激光器芯片的出光面至第一球面镜的中心的距离为大于所述第一球面镜的焦距的1倍且小于所述第一球面镜的焦距的3倍。若所述半导体激光器芯片104的出光面至所述第一球面镜的中心的距离小于或等于所述第一球面镜的焦距的1倍时，在所述第一球面镜背向所述发光封装单元1的一侧没有所述半导体激光器芯片104出光面光斑的像光斑；若所述半导体激光器芯片104出光面至所述第一球面镜的中心的距离等于或大于所述第一球面镜的焦距的3倍时，所形成的发散角会过大，例如，若所述半导体激光器芯片104出光面至所述第一球面镜的中心的距离等于所述第一球面镜的焦距的3倍时，在所述第一球面镜背向所述发光封装单元1的一侧的得到的像光斑至所述第一球面镜的距离等于所述第一球面镜的焦距的1.5倍，像光斑的大小会缩小到光面处光斑的大小的一半，发散角会放大2倍，若所述半导体激光器芯片104出光面至所述第一球面镜的中心的距离越大，发散角会更大，此外系统误差变大。

在一个实施例中，半导体激光器芯片104的出光面至所述第一球面镜的中心的距离大于所述第一球面镜的焦距的2倍且小于所述第一球面镜的焦距的3倍时，在所述第一球面镜背向所述发光封装单元1的一侧会得到比所述半导体激光器芯片104出光面光斑缩小的像光斑。

所述半导体激光器芯片的出光面至所述第一球面镜的中心的距离大于所述第一球面镜的焦距的1倍且小于所述第一球面镜的焦距的2倍时，在所述第一球面镜背向所述发光封装单元1的一侧会得到比所述半导体激光器芯片104出光面光斑放大的像光斑。

所述半导体激光器芯片的出光面至所述第一球面镜的中心的距离等于所述第一球面镜的焦距的2倍时，在所述第一球面镜背向所述发光封装单元1的一侧会得到比所述半导体激光器芯片104出光面光斑等大的像光斑。

本实施例中，所述半导体激光器芯片出光面至所述第一球面镜的中心的距离为所述第一球面镜的焦距的2倍，在所述第一球面镜背向所述发光封装单元1的一侧得到与所述半导体激光器芯片出光面光斑等大的像光斑，所述半导体激光器芯片的出光面处光斑的成像位置至所述第一球面镜的中心的距离为所述第一球面镜的焦距的2倍。

在其他实施例中，N＝1,所述半导体激光器芯片出光面至所述第一球面镜的中心的距离大于所述第一球面镜的焦距的1倍且小于所述第一球面镜的焦距的2倍，所述半导体激光器芯片的出光面处光斑的成像位置至所述第一球面镜中心的距离大于所述第一球面镜的焦距的2倍。在所述第一球面镜背向所述半导体激光器芯片的出光面一侧得到与所述半导体激光器芯片出光面光斑放大的像光斑。

在其他实施例中，N＝1,所述半导体激光器芯片出光面至所述第一球面镜的中心的距离大于所述第一球面镜的焦距的2倍且小于所述第一球面镜的焦距的3倍，所述半导体激光器芯片的出光面处光斑的成像位置至所述第一球面镜中心的距离大于所述第一球面镜的焦距的1倍且小于所述第一球面镜的焦距的2倍。在所述第一球面镜背向所述半导体激光器芯片的出光面一侧得到与所述半导体激光器芯片出光面光斑缩小的像光斑。

在另一个实施例中，以N等于2为示例，成像结构包括沿着所述出光区103至所述准直单元3的光路路径上依次间隔设置的第一球面镜和第二球面镜，所述第一球面镜至第二球面镜的焦距相等。

在其他实施例中，N还可以是其他的数值，不做限制。

第一球面镜至第N球面镜中任一球面镜能在快轴方向和慢轴方向对所述半导体激光器芯片104出射的光斑同时进行成像也能只对快轴方向的光斑成像。

关于本实施例与前一实施例相同的部分，不再详述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种半导体激光器系统，其特征在于，包括：

若干个发光封装单元，所述发光封装单元包括：管座；位于所述管座一侧的封帽，所述封帽和所述管座围成闭合腔体，所述封帽包括出光区；半导体激光器芯片，所述半导体激光器芯片位于所述闭合腔体中；

若干个准直单元；

若干个成像结构，所述成像结构分别位于所述出光区和所述准直单元之间，所述成像结构适于将所述半导体激光器芯片的出光面处的光斑成像在所述成像结构与所述准直单元之间。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器系统，其特征在于，所述若干个发光封装单元呈阵列排布。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器系统，其特征在于，所述成像结构包括第一正柱面透镜和第二正柱面透镜；

所述第一正柱面透镜包括第一柱面和与第一柱面相对设置的第一平面，所述第二正柱面透镜包括第二柱面和与第二柱面相对设置的第二平面，所述第二柱面与所述第一柱面相对设置，所述第一柱面和所述第二柱面位于第一平面和第二平面之间。

4.根据权利要求3所述的半导体激光器系统，其特征在于，所述第二正柱面透镜的焦距大于或等于所述第一正柱面透镜的焦距的0.5倍且小于或等于所述第一正柱面透镜的2倍。

5.根据权利要求3所述的半导体激光器系统，其特征在于，所述半导体激光器芯片出光面设置在所述第一正柱面透镜背向所述第二正柱面透镜一侧的焦点位置。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器系统，其特征在于，所述成像结构包括沿着所述出光区至所述准直单元的光路路径上依次间隔设置的第一球面镜至第N球面镜，N为大于或者等于1的整数。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器系统，其特征在于，N＝1；所述半导体激光器芯片的出光面至所述第一球面镜的中心的距离大于所述第一球面镜的焦距的1倍且小于所述第一球面镜的焦距的3倍；

所述半导体激光器芯片的出光面处光斑的成像位置至所述第一球面镜中心的距离大于所述第一球面镜的焦距的1倍且小于所述第一球面镜的焦距的3倍。

8.根据权利要求1所述的半导体激光器系统，其特征在于，所述准直单元包括快轴准直镜，所述成像结构适于将所述半导体激光器芯片的出光面处的光斑成像在所述快轴准直镜朝向所述成像结构一侧的焦点位置。

9.根据权利要求8所述的半导体激光器系统，其特征在于，所述快轴准直镜的焦距为100um至2000um。

10.根据权利要求8所述的半导体激光器系统，其特征在于，还包括：在所述快轴准直镜射出的光的光路上依次设置的慢轴准直镜、45度反射镜、聚焦透镜和光纤。

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