CN219760242U - 一种快轴准直半导体激光器阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种快轴准直半导体激光器阵列，从前到后依次设置的光锥、晶体前盖、晶体座、平凸透镜阵列，固定在平凸透镜阵列下方的柱镜支架，设置在平凸透镜阵列后方的激光单元叠阵和设置在平凸透镜阵列、柱镜支架、激光单元叠阵外侧的外壳。本实用新型使用柱镜支架，平凸透镜直接安装在单bar上，在后期组装与异常维修方面可进行快速更换与更改；平凸透镜可以有效地消除像差，减少光能损失，极大的改善了半导体激光器的光束质量，经模拟，光能密度在出光10mm处相较未使用平凸透镜时增加了数倍，从而提高了大功率半导体激光器的光能利用率；本实用新型可有效的缩短光锥，更加节省空间，降低光损失。

Description

一种快轴准直半导体激光器阵列

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，具体涉及一种快轴准直半导体激光器阵列。

背景技术

高功率半导体激光器是激光行业的核心组成部分，因其体积小、重量轻、寿命长、功耗低、波长覆盖广、可靠性高的特点，在激光显示、材料加工、激光通信，激光医疗、3D打印等领域具有广泛应用。其已在各领域逐渐取代了气体和固体激光器的使用，应用范围也在逐步扩展。

商业百瓦以上半导体激光器的制冷器主要是微通道液体制冷器(Micro ChannelCooler，简称MCC)，内置冷却液体通道，使其具有更高的散热效率，利用微通道封装的半导体激光器可工作在CW(连续波)以及高占空比的QCW(象限连续波)模式。由于其自身量子阱波导结构的限制，半导体激光器出射光束存在不对称的较大发散角、输出光束不均衡、存在固有像散等缺点，尤其在大功率半导体激光器阵列的集成应用中，由于半导体激光器单管发散角太大，造成了严重的光能量损失，大大降低了耦合效率。因此，对单颗半导体激光器的发散光束进行准直整形以解决光能损耗严重等问题具有重要意义。

半导体激光器中，快轴是垂直于激光芯片正表面的，慢轴是平行于芯片表面的。一般快轴的发散角大于慢轴，大功率的激光芯片，快轴的发散角基本上是慢轴的3倍以上，快轴发散角约40°，慢轴发散角约10°，目前常用的激光传导方式是通过在光锥内部不断反射向前传导输出，聚拢压缩快慢轴的发散角。然而，激光叠阵形成的初始光斑的大小限制了光锥的压缩量。光锥将激光器叠阵的初始光斑压缩后要获得更小的出光光斑，光锥的斜度必须增加，斜度的增加会引起激光在光锥内的内部反射，而向光锥外的折射率会增加，导致光漏光和激光回返，容易损坏激光器。较长的光锥可以降低斜度和折射率，但随着介质和距离的增加，光损也会增加。采用平凸透镜准直法，可以有效地消除像差，减少光能损失，极大的改善了半导体激光器的光束质量，从而提高了大功率半导体激光器的光能利用率。

发明内容

本实用新型是为了解决导光晶体内部的反射损耗大的问题，提供一种快轴准直半导体激光器阵列，使用柱镜支架，平凸透镜直接安装在单bar上，在后期组装与异常维修方面可进行快速更换与更改；平凸透镜可以有效地消除像差，减少光能损失，极大的改善了半导体激光器的光束质量，经模拟，光能密度在出光10mm处相较未使用平凸透镜时增加了数倍，从而提高了大功率半导体激光器的光能利用率；本实用新型可有效的缩短光锥，更加节省空间，降低光损失。

本实用新型提供一种快轴准直半导体激光器阵列，包括从前到后依次设置的光锥、晶体前盖、晶体座、平凸透镜阵列，固定在平凸透镜阵列下方的柱镜支架，设置在平凸透镜阵列后方的激光单元叠阵和设置在平凸透镜阵列、柱镜支架、激光单元叠阵外侧的外壳；

平凸透镜阵列包括垂直设置的至少两个平凸透镜，柱镜支架包括至少两个子支架，激光单元叠阵包括叠放的至少两个激光单元，平凸透镜、子支架和激光单元的数量相同，子支架固定在激光单元的前部，子支架的上表面为平面，平凸透镜固定在子支架的上表面上，平凸透镜的曲面焦距位于激光单元的发光点上。

本实用新型所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，作为优选方式，激光单元包括热沉和焊接在热沉上的激光巴条、钨铜电极；

子支架固定在热沉的前部；

平凸透镜表面镀增透膜。

本实用新型所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，作为优选方式，子支架通过粘胶固定在热沉的前部，子支架为六面体结构。

本实用新型所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，作为优选方式，光锥包括两个平行的平面，晶体座中部设置通孔，光锥插入晶体座的通孔中固定，光锥的平面位于激光单元发光点的前方。

本实用新型所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，作为优选方式，晶体前盖中部设置通孔，晶体前盖穿过光锥与晶体座固定连接。

本实用新型所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，作为优选方式，外壳的内侧顶部设置贯通的凹槽，叠放的激光单元通过螺钉自上而下固定，螺钉至于凹槽中。

本实用新型所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，作为优选方式，晶体前盖和晶体座的上部和下部均设置螺纹孔，晶体前盖和晶体座通过螺钉与外壳的上部固定连接。

本实用新型所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，作为优选方式，外壳为前部和底部设置开口的中空壳状结构，外壳的前端上侧设置螺纹孔，激光单元叠阵包括位于叠放的激光单元底部的通水底座，通水底座的前端设置螺纹孔，晶体前盖和晶体座通过螺钉与通水底座的前部固定连接。

本实用新型所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，作为优选方式，晶体前盖、晶体座与通水底座的前部固定连接后使用胶密封。

本实用新型所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，作为优选方式，激光单元还包括金线，粘接在热沉上部另一侧的正负极绝缘板、第一铜箔带和粘接在正负极绝缘板、第一铜箔带之间的第二铜箔带，金线连接激光巴条和第一铜箔带。

本实用新型提供了一种快轴准直半导体激光器阵列，根据功率大小可以封装相应数量的激光单元，按照出光要求选择合适的光锥尺寸即可；选择合适平凸透镜材料，耐温及透光性符合使用大功率要求；按照叠阵单元的间隔尺寸，设计合适的平凸透镜尺寸，符合每个叠阵单元的装配要求，并且便于安装；设计合适的平凸透镜与芯片的安装距离，对激光发散进行有效准直；设计光锥入光口尺寸，保证激光全接收；按照出光光斑的尺寸要求，设计所需要的光锥出光口尺寸。

本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型使用平凸透镜可以有效地消除像差，减少光能损失，极大的改善了半导体激光器的光束质量，经模拟，光能密度在出光10mm处相较未使用平凸透镜时增加了数倍，从而提高了大功率半导体激光器的光能利用率。

(2)本实用新型使用平凸透镜准直精度较高，体积小，光学系统结构简单，表面可镀增透膜，进一步减少光损。

(3)本实用新型使用柱镜支架，平凸透镜直接安装在单bar上，在后期组装与异常维修方面可进行快速更换与更改。

(4)本实用新型提供的快轴准直半导体激光器阵列，可有效的缩短光锥，更加节省空间，降低光损失，更加适于目前激光行业用具的使用。

附图说明

图1为一种快轴准直半导体激光器阵列结构示意图；

图2为一种快轴准直半导体激光器阵列爆炸图；

图3为一种快轴准直半导体激光器阵列使用平凸透镜对激光芯片射出的发散光进行准直放大示意图；

图4为一种快轴准直半导体激光器阵列的平凸透镜截面放大示意图；

图5为一种快轴准直半导体激光器阵列平凸透镜结构示意图；

图6为一种快轴准直半导体激光器阵列激光单元结构示意图；

图7为一种快轴准直半导体激光器阵列对准直后的发散光进行光斑压缩的示意图。

附图标记：

1、光锥；2、晶体前盖；3、晶体座；4、平凸透镜阵列；41、平凸透镜；5、柱镜支架；51、子支架；6、激光单元叠阵；61、激光单元；611、热沉；612、激光巴条；613、钨铜电极；614、金线；615、正负极绝缘板；616、第一铜箔带；617、第二铜箔带；62、通水底座；7、外壳。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1～2所示，一种快轴准直半导体激光器阵列，包括从前到后依次设置的光锥1、晶体前盖2、晶体座3、平凸透镜阵列4，固定在平凸透镜阵列4下方的柱镜支架5，设置在平凸透镜阵列4后方的激光单元叠阵6和设置在平凸透镜阵列4、柱镜支架5、激光单元叠阵6外侧的外壳7；

如图3～5所示，平凸透镜阵列4包括垂直设置的至少两个平凸透镜41，柱镜支架5包括至少两个子支架51，激光单元叠阵6包括叠放的至少两个激光单元61，平凸透镜41、子支架51和激光单元61的数量相同，子支架51固定在激光单元61的前部，子支架51的上表面为平面，平凸透镜41固定在子支架51的上表面上，平凸透镜41的曲面焦距位于激光单元61的发光点上；

如图6所示，激光单元61包括热沉61，焊接在热沉611上的激光巴条612、钨铜电极613，金线614，粘接在热沉611上部另一侧的正负极绝缘板615、第一铜箔带616和粘接在正负极绝缘板615、第一铜箔带616之间的第二铜箔带617，金线614连接激光巴条612和第一铜箔带616；

子支架51固定在热沉611的前部；平凸透镜41表面镀增透膜；

子支架51通过粘胶固定在热沉611的前部，子支架51为六面体结构；

光锥1包括两个平行的平面，晶体座3中部设置通孔，光锥1插入晶体座3的通孔中固定，光锥1的平面位于激光单元61发光点的前方；

晶体前盖2中部设置通孔，晶体前盖2穿过光锥1与晶体座3固定连接；

外壳7的内侧顶部设置贯通的凹槽，叠放的激光单元61通过螺钉自上而下固定，螺钉至于凹槽中；

晶体前盖2和晶体座3的上部和下部均设置螺纹孔，晶体前盖2和晶体座3通过螺钉与外壳7的上部固定连接；

外壳7为前部和底部设置开口的中空壳状结构，外壳7的前端上侧设置螺纹孔，激光单元叠阵6包括位于叠放的激光单元61底部的通水底座62，通水底座62的前端设置螺纹孔，晶体前盖2和晶体座3通过螺钉与通水底座62的前部固定连接；

晶体前盖2、晶体座3与通水底座62的前部固定连接后使用胶密封。

激光单元叠阵6还包括设置在通水底座上部的绝缘薄片、激光叠阵模块正极，设置在激光单元61上部的激光叠阵模块负极、绝缘垫圈，设置在通水底座与绝缘薄片之间、绝缘薄片与激光叠阵模块正极之间、激光叠阵模块正极与激光单元61、激光单元61与激光叠阵模块负极之间的O型密封圈，依次穿过绝缘垫圈、激光叠阵模块负极、激光单元61激光叠阵模块正极、绝缘薄片固定在通水底座中的螺钉。

如图1所示，本实施例激光器的功率为100-1600W，满足目前激光器的使用要求，外形尺寸范围：根据功率要求设计高度在15-60mm之间，宽度要求15-35mm之间，激光器本体长度要求25-60mm之间，不含光锥及外引线长度；

根据100-1600W的功率要求，需要1-16个激光单元61，组成串联叠阵6。每个激光单元61的尺寸范围：bar间距要求1.5-2.5mm之间，宽度要求10-12mm之间，长度要求25-30mm之间(如图2所示)；

根据激光单元的尺寸，设计平凸透镜阵列4，设计专用夹持治具便于装夹平凸透镜4，并要使得平凸透镜4曲面的焦距位于激光单元61的发光点，宽度H要求为小于等于1mm长度L要求小于等于10.8mm(图3、4、5)；

根据单个激光单元61的尺寸范围，需要满足1-16个激光单元61叠阵所需的空间位置，设计热沉611的外形及尺寸范围为：高度要求1.8-2.5mm之间，宽度要求10-12mm之间，长度要求25-30mm之间(图2)；

柱镜支架5使用UV胶固定在距热沉611底部约0.6mm位置处，平凸透镜4利用UV胶调整位置以及固定在柱镜支架5的子支架51的上方平台处，置于串联起来的叠阵激光芯片前端(图2、3)；

光锥1尺寸的设计需要遵循光锥入光口尺寸要大于激光器出光面尺寸，光锥出光口尺寸可按照客户设计定制的尺寸，光锥长度为降低光反射损耗可选择较长的晶体长度；

根据功率大小的要求确定激光单元61的数量；

由激光器的外形尺寸，设计激光器的外壳7(图1、2)。

本实施例的原理为：

1.半导体激光器工作时，激光从芯片612出光端面，是呈一定发散角发射出去的，称之为快轴发散角。(图3)。

2.由于存在发散角，工作距离越远，光斑发散越大，要获得较小的光斑，必须采用光锥1进行压缩(图6)。

3.为获得高功率的激光器则需要叠阵更多的单bar激光器，激光器出光光斑也就比较大，要获得较小的工作光斑，光锥1的斜度必须增加，或者光锥1的长度必须加长，会导致漏光及光损增大。

4.利用凸镜的聚焦原理，平凸透镜41需依据激光器的快轴发散角与平凸透镜41固定点位的高度进行计算得出平凸透镜41的焦距，选择匹配的平凸透镜41，平凸透镜41的长度L需大于激光器bar条612长度10mm，按照所设计柱镜支架5进行设计平凸透镜41尺寸，使用UV胶微调并固定在芯片出光位置的柱镜支架5上方平台上，对激光芯片射出的发散光进行准直成为平行光(图3、4、5)。

5.准直后的光斑不再发散，在更加宽松的工作距离下，和激光器本身的光斑尺寸仍然接近，可以按照对工作光斑的使用需求，采用斜度更平缓，长度更短的光锥1进行压缩即可(图7)。

本实施例的半导体激光器整体组装流程如下：

1.激光单元61制作，用金锡焊料将激光巴条612与钨铜电极613焊接在MCC热沉611上，再使用金线614连接bar条612和铜箔616，组成激光单元61。

2.将激光单元61固定在特质工作台上，使用UV胶固定柱镜支架5在MCC的热沉611端面距底部约0.6mm处，将平凸透镜4使用UV胶调节好光斑位置后固定在柱镜支架5上，组成带准直功能的激光模组(图3)。

3.将多个带有准直功能的激光模组，使用螺钉将其与通水底座62、正负极固定组成串联叠阵6(图2)。

4.装配外壳7，外壳7设置顶部凹槽便于隐藏固定串联叠阵6的螺钉(图2)。

5.装配晶体座3，设置内部卡槽使得光锥1固定于芯片上方(图2)。

6.将光锥1装入晶体座3(图2)。

7.装配晶体前盖2，使用螺钉通过晶体前盖2、晶体座3与串联叠阵6通水底座的螺孔将三者一同固定，使用胶密封(图2)。

8.激光器安装完成(图1)。

本实施例半导体激光器工作原理及操作步骤：

1.进出水孔接入冷水机循环水，并设定水流量0.4L/min,水温20-30℃。

2.正负极接入电源，设定频率10HZ，脉宽40ms，电流100A。

3.电流流经钨铜电极613、激光巴条612、铜箔带616、617，有足够的粒子数反转并在谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光射出，同时，发散激光经过平凸透镜4后，变成准直光。电光转换损耗产生的热量通过钨铜电极613，再传递到热沉611，通过热沉611内部微通道传递到冷却水，水流将热量带走，达到激光器工作及散热的目的。

4.经过准直后的激光平行射出，不再发散(图3、7)。

5.采用光锥1对准直后的发散光进行压缩光斑，提高单位面积内的功率密度。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快轴准直半导体激光器阵列，其特征在于：包括从前到后依次设置的光锥(1)、晶体前盖(2)、晶体座(3)、平凸透镜阵列(4)，固定在所述平凸透镜阵列(4)下方的柱镜支架(5)，设置在所述平凸透镜阵列(4)后方的激光单元叠阵(6)和设置在所述平凸透镜阵列(4)、所述柱镜支架(5)、所述激光单元叠阵(6)外侧的外壳(7)；

所述平凸透镜阵列(4)包括垂直设置的至少两个平凸透镜(41)，所述柱镜支架(5)包括至少两个子支架(51)，所述激光单元叠阵(6)包括叠放的至少两个激光单元(61)，所述平凸透镜(41)、所述子支架(51)和所述激光单元(61)的数量相同，所述子支架(51)固定在所述激光单元(61)的前部，所述子支架(51)的上表面为平面，所述平凸透镜(41)固定在所述子支架(51)的上表面上，所述平凸透镜(41)的曲面焦距位于所述激光单元(61)的发光点上。

2.根据权利要求1所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，其特征在于：所述激光单元(61)包括热沉(611)和焊接在所述热沉(611)上的激光巴条(612)、钨铜电极(613)；

所述子支架(51)固定在所述热沉(611)的前部；

所述平凸透镜(41)表面镀增透膜。

3.根据权利要求2所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，其特征在于：所述子支架(51)通过粘胶固定在所述热沉(611)的前部，所述子支架(51)为六面体结构。

4.根据权利要求1所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，其特征在于：所述光锥(1)包括两个平行的平面，所述晶体座(3)中部设置通孔，所述光锥(1)插入所述晶体座(3)的通孔中固定，所述光锥(1)的平面位于所述激光单元(61)发光点的前方。

5.根据权利要求1所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，其特征在于：所述晶体前盖(2)中部设置通孔，所述晶体前盖(2)穿过所述光锥(1)与所述晶体座(3)固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，其特征在于：所述外壳(7)的内侧顶部设置贯通的凹槽，叠放的所述激光单元(61)通过螺钉自上而下固定，螺钉至于所述凹槽中。

7.根据权利要求1所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，其特征在于：所述晶体前盖(2)和所述晶体座(3)的上部和下部均设置螺纹孔，所述晶体前盖(2)和所述晶体座(3)通过螺钉与所述外壳(7)的上部固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，其特征在于：所述外壳(7)为前部和底部设置开口的中空壳状结构，所述外壳(7)的前端上侧设置螺纹孔，所述激光单元叠阵(6)包括位于叠放的所述激光单元(61)底部的通水底座(62)，所述通水底座(62)的前端设置螺纹孔，所述晶体前盖(2)和所述晶体座(3)通过螺钉与所述通水底座(62)的前部固定连接。

9.根据权利要求8所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，其特征在于：所述晶体前盖(2)、所述晶体座(3)与所述通水底座(62)的前部固定连接后使用胶密封。

10.根据权利要求2所述的一种快轴准直半导体激光器阵列，其特征在于：所述激光单元(61)还包括金线(614)，粘接在所述热沉(611)上部另一侧的正负极绝缘板(615)、第一铜箔带(616)和粘接在所述正负极绝缘板(615)、所述第一铜箔带(616)之间的第二铜箔带(617)，所述金线(614)连接所述激光巴条(612)和所述第一铜箔带(616)。