CN2454954Y - 带准直模块的线列阵半导体激光器 - Google Patents

Abstract

一种带准直模块的线列阵半导体激光器,包括管壳,在管壳内的底座上置有半导体致冷器,过渡热沉、带有热沉的激光二极管线列阵的发光面对准管壳盖板上带有窗片的窗口,在激光二极管线列阵与窗片之间的窗口内置有准直模块。准直模块含有微柱面透镜和微柱面透镜列阵由固定块固定有一定粘合间隙间距。准直模块的接收面对准激光二极管线列阵的发光面。具有结构简单合理,加工调节方便,准直效率和耦合输出光功率效率高的特点。

Description

带准直模块的线列阵半导体激光器

本实用新型是关于一种带准直模块的线列阵半导体激光器。

在先技术中高功率(连续20W～100W，准连续60W～300W)激光二极管线列阵(以下简称为LDBAR)是一种具有广泛应用的线列阵半导体激光器，是重要的激光光源。不管用光学系统还是用光纤耦合传输，都面临一个如何高效准直耦合LDBAR发射的激光功率的关键高难度的技术问题。为此，90年代国际光学界提出了多种准直结构，其中一种较好的结构是，先用柱面微透镜列阵准直LDBAR慢轴平面的发散束，再用大柱面透镜准直快轴平面内的发散束，得到近长条矩形准直束，准直效率达到T≈90％；但快轴平面内光束发散度还偏大，致使聚焦光学系统或近平行准直光束传输光学系统的整机透过率仅为≤70％而且大柱面透镜的加工难度大，加工成本高(在先技术Optics Letters,1995,20(2):155)。

本实用新型的目的为克服在先技术中的不足，提供一种带准直模块的线列阵半导体激光器，结构简单合理，加工和调节方便，提高准直效率和整个装置的透过率。

本实用新型的激光器包括：如图1、2、3所示。有管壳1，管壳1的底面是边缘四周均匀分布有四个供固定管壳1用的螺丝沉孔2的底座101。管壳1的顶上是带有中心窗口601的盖板6。盖板6与底座101之间有管壁102。盖板6边缘上有凸肩602置于管壁102顶端口上的端口凹槽5内。凸肩602与端口凹槽5的接合处置有密封胶。在管壳1外的底座101上有多个通到管壳1内的电极引脚16。在管壳1内底座101上置有半导体致冷器15，在半导体致冷器15上置有过渡热沉8，在过渡热沉8上置有激光二极管线列阵11的热沉13。置于热沉13上的激光二极管线列阵11的发光面对准盖板6上带有窗片10的窗口601。上述置于管壳1内的激光二极管线列阵11以及盖板6上的窗口601和窗片10都与管壳1是同一中心轴线00。在激光二极管线列阵11与窗片10之间的窗口601内置有包含微柱面透镜902和微柱面透镜列阵901的准直模块9。准直模块9内的微柱面透镜902对着激光二极管线列阵11的发光面。如图4所示。准直模块9的接收面905与盖板6的内表面齐平。准直模块9的中心轴线与窗口601与激光二极管线列阵11的中心轴线OO重合。准直模块9与激光二极管线列阵11和窗片10同光轴。在管壳1内，管壁102与半导体致冷器15和过渡热沉8之间有左右对称的固定在底座101上的两个调节固定块4。调节固定块4上有一端对着过渡热沉8，另一端与管壁102上的螺孔相通的调节螺丝孔3。如图2所示，此调节螺丝孔3供拧进调节螺钉用。在管壳1内，管壁102与半导体致冷器15和过渡热沉8之间有前后对称的固定在底座101上的两个平移槽块17。平移槽块17对着过渡热沉8的部位有槽块凹槽1701与过渡热沉8上的热沉凹槽801相配构成一槽道，在槽道内置有导轨20。如图3所示，导轨20与调节螺丝孔3内的调节螺钉配合使过渡热沉8带动激光二极管线列阵11作左右移动。在半导体致冷器15与过渡热沉8之间有压电元件14。调节压电元件14可以使置于过渡热沉8上固定在热沉13上的激光二极管线列阵11上下移动。上述的两个调节固定块(4)和两个平移槽块17与过渡热沉8与半导体致冷器15之间均有电绝缘片7。此电绝缘片7最好用云母片。

所说的准直模块9中的微柱面透镜902和微柱面透镜列阵901沿着长度方向的两端分别有第一固定块904和第二固定块908将两者固定，两者之间有粘合间隙907，在粘合间隙907里放有光学粘合胶。微柱面透镜902的两透光面和微柱面透镜列阵901的两透光面均镀有对激光二极管线列阵11发射的光束透过率大于或等于99.5％的增透膜906。微柱面透镜902的入光面为准直模块9的接收面905，微柱面透镜列阵901的出光面为准直模块9的输出面903。如图4所示。

所说的准直模块9的长度L_m大于激光二极管线列阵的长度L_c，即L_m＞L_c，通常的情况下L_m=L_c+2mm就可以了。主要是要求准直模块9的有效长度要大于激光二极管线列阵11的有效发光面的长度。准直模块9的宽度D_m大于激光二极管线列阵11的宽度D_c，即D_m＞D_c。

所说的准直模块9内的微柱面透镜902的曲率半径R＜2mm，微柱面透镜902的焦距f＜1.5mm。

所说的准直模块9中微柱面透镜902与微柱面透镜列阵901之间的粘合间隙907的间距为50μm至260μm。

所说的过渡热沉8的结构形状为正方形底，侧面呈半金字塔平顶，以有利于LDBAR11工作散热是作为热沉13的冷端面，它的底板与压电元件14用导热硅胶形成滑动密合连接，过渡热沉8的正中部位自底板上表面至顶面成垂直凹立槽，LDBAR11的热沉13用对称分布的四只螺丝(图2)固定过渡热沉8的垂直立凹槽中心位置。LDBAR11的发光面垂直于管壳中心轴线(OO)，这时LDBAR11热沉13的下边沿距离过渡热沉8的底板留有约1mm的空隙，以保证LDBAR11的热沉13(也称LDBAR11的下电极)与过渡热沉8的电接触良好，而LDBAR11的上电极12与过渡热沉8的电绝缘良好。LDBAR的上电极12，用二只螺丝19(如图3中上面二只)与下电报(即热沉13)形成电绝缘固定连接，图3中下面一只螺丝18用作LDBAR11的上电极的引线固定。LDBAR11是通过其能承受的弹簧片1201软过渡由上电极12压焊于下电极13上。

本实用新型的激光器，其中LDBAR11与管壳1绝缘。如所有的电极与管壳1绝缘，激光器的底座101、盖板6、调节固定块4、调节螺丝孔3、平移槽块17与管壳1绝缘，激光器的底座101、盖板6、调节固定块4、调节螺丝孔3、平移槽块17、导轨20、过渡热沉8的表面均深度氧化黑，并且在过渡热沉8与调节螺丝孔3及导轨20之间均插入电绝缘良好的云母绝缘片7，盖板6与过渡热沉8顶面之间通常会有微隙，即使无空隙，在二者完好的深度表面氧化黑情况下，电绝缘也是良好的。如此，既避免LDBAR11注入电流的分流影响，也避免了操作人(一般情况应于腕带防静电环带)的调试或使用操作接触可能带入LDBAR11工作回路的静电或浪涌电尖峰的影响，而保证LDBAR11安全可靠工作。对于价格昂贵的LDBAR11来说，这一措施保证了在调试中或后面的使用操作安全都极为重要。

本实用新型是把准直模块9置于也就是镶嵌入盖板6上窗口601内的中心位置中，用胶粘固定位，其微柱面透镜902接收面必须与盖板6内表面平齐，并且必须调整其光轴与LDBAR11及装置中心轴线OO一致不偏斜，方位一致。LDBAR11与准直模块9左右耦合对准中心位置，微调靠调节螺丝孔3内的螺钉调节过渡热沉8的左右位置来调定，微调整的标准是达到准直模块9的输出光斑出现光强度最大、清晰度最高，光斑最小的零级绕射极限光斑，而二侧的一级微弱光斑的位置对于装置光轴来说是严格对称的。准直模块9接收面与LDBAR11的发光面之间的最佳耦合距离为85μm±5μm。有压电元件14调节准直模块9的接收面与LDBAR11发光面之间的耦合距离，这样的调节机构更方便，更精细，只要控制压电元件14的电压就能控制达到最佳耦合距离的标准。

上述的准直模块9(图4)是由一种快轴准直微柱面透镜902和慢轴准直微柱面透镜列阵901粘合而成，前者通常是长12mm，厚1.5mm、宽2mm，数字孔径高达NA=0.85(光学材料的折射率n≥1.85)，为绕射极限高效耦合的微柱面透镜(条状的)，首先它把LDBAR11的快轴大发散角35°～40°半高全宽(FWHM)激光束准直成发散角仅为～3mrad的近平行光束(平面波)。后者通常是长度为12mm，有效长度为10.8mm，厚度为0.39mm(加基底共1.5mm)，由几十个绕射极限微柱面透镜元单片集成的列阵。与LDBAR11的发光元的快轴已准直的光束经一一对应的准直微柱面透镜列阵元的绕射耦合、准直后发光元的光束相互迭加，成平面波、产生零级衍射单斑远场图样。这时，其左右二侧成对称分布的一级远场束斑呈很微弱的强度，达到95％以上的LDBAR11的激光强度集中在零级衍射单斑远场图中，这就是准直模块9的高耦合效率。准直束的平行度为3mrad×40mrad(θ_⊥×θ_∥)。为了达到这一理想的准直耦合效果，准直模块9是：1)快轴准直微柱面透镜902必须用高折射率(n≥1.85)的光学玻璃，为与LDBAR11的θ_⊥～40°相匹配，微柱面透镜902的数字孔径NA≥0.85，并且微柱面透镜902必须有低球差，达到绕射极限；2)微柱面透镜列阵901的列阵元的节距必须等于LDBAR11列阵元的节距；3)微柱面透镜列阵元的f必须与LDBAR11的发光元的束散相匹配，使耦合损失降到最小；4)微柱面透镜列阵元必须有低球面像差，达到近绕射极限耦合性能；5)准直模块9中的微柱面透镜902和微柱面透镜列阵901的入射/射出光面必须对所准直的LDBAR的激光波长镀T≥99.5％的增透膜，6)为了达到最佳的准直特性(最高耦合效率，最小耦合束的束散)微柱面透镜902条与微柱面透镜列阵901的粘合间隙907的间距通常为50μm至260μm。

本实用新型采用特种大功率(＞100W)的半导体致冷器15，配以相应的大散热量散热器，只要空气冷却，无须水冷，就能维持20W、30W、40W甚至更高功率也能使LDBAR11在设定温度下正常稳定可靠地工作。

本实用新型的优点：

1．由上述的结构本实用新型的最主要的优点在于含有准直模块9。准直模块9置于盖板6上的窗口601内，接收面905严格对准激光二极管线列阵11的发光面，并且准直模块9的接收面905就是微面柱透镜902的入射光面，也就是说准直模块9的微面柱透镜902靠近激光二极管线列阵11。由激光二极管线列阵11发出的激光束首先进入微柱面透镜902将激光二极管线列阵11快轴平面内发散的激光束准直，然后进入微柱面透镜列阵901将激光二极管线列阵11慢轴平面内发散的激光束准直。这种结构与在先技术完全相反、在先技术是使激光二极管线列阵发射光首先进入微柱面透镜列阵准直激光二极管线列阵慢轴平面内发散的光束，然后进入大柱面透镜准直快轴平面的发散光束，则在先技术中需要大柱面透镜，它的曲率半径R＞10mm、焦距f＞10mm，而本实用新型中的微柱面透镜902的曲率半径＜2mm，焦距F＜1.5mm。显然本实用新型所用的微柱面透镜902要比在先技术的大柱面透镜加工容易，而且成本低。本实用新型的微柱面透镜902和微柱面透镜列阵901由第一固定块904和第二固定块908固定在一起，两者之间的粘合间隙907的间距已匹配好(通常选择在50μm～260μm之间)构成一准直模块9，使用起来非常方便，无需在安装激光器时、再调整微柱面透镜902与微柱面透镜列阵901之间的距离，调整工序减少了，而且光路的调整精度高，减少了调整误差。提高了耦合输出光功率效率，提高了激光器的耦合效率。

2．本实用新型采用功率≥100W的特种半导体致冷器15进行制冷控温，并配以相应的特种大散热量的散热器，能维持LDBAR11在空气冷却而不用水冷情况下按设定温度稳定可靠工作，适合应用在CW 20W、30W、40W或更高高功率LDBAR11和Q-CW60W～100W的或更高功率的LDBAR，拓宽了应用范围，特别适用于机载和军用。

3．本实用新型的LDBAR11与壳体12电绝缘良好，保证了调试及使用情况下LDBAR11的安全可靠工作。由于LDBAR价格昂贵，它的安全可靠工作显示了这种装置的应用价值。

4．本实用新型激光器虽是用于线列阵准直模块与线列阵LDBAR的准直耦合还可以推广到二维即面列阵LDBAR(或称二极管列阵堆)与面列阵准直模块的准直耦合，所不同的只是再增加一维，而这一维的参数控制在于面阵准直模块的这一参数和面阵LDBAR的这一参数一一对应就是了。本实用新型激光器已进一步开拓了一类准连续工作(Q-CW)而峰值光功率高达几百瓦甚至千瓦的面阵LDBAR上的应用。本实用新型在红外主动照明和先进的全固体化半导体激光抽运的固体激光器高新技术领域中有广泛潜在应用前景。

附图说明：

图1是本实用新型激光器的顶视图。

图2是本实用新型激光器图1的A-A剖视图。

图3是本实用新型激光器图1的B-B剖视图。

图4是本实用新型激光器中所用准直模块9的结构示意图。

实施例：

如图1、2、3、4的本实用新型激光器，实施例中采用的激光二极管线列阵11(LDBAR)参数如下：

激光中心波长λ     806.2nm

光功率输出(PCW)    20W(注入工作电流29A)

线列阵总发光面尺寸 1cm×1μm，含25个列阵元

列阵元发光面大小    100μm×1μm，二个发光元之间节距400μm

LDBAR11激光束发散角 快轴方向θ_⊥40°

                    慢轴方向θ_∥10°

准直模块9的构成参数如下：

1．微柱面透镜902为条状(bar)，长度L_m=12mm，厚度T=1.5mm，宽度D_m=2mm，数值孔径NA=0.85，有效焦长f=0.91mm，所用的光学玻璃材料折射率n=1.85。

2．微柱面透镜列阵901，长度L_m=12mm、有效长度L′=10.8mm，宽度D_m=2mm，波纹区厚度0.39mm、连衬底总共厚1.5mm，列阵元个数25，列阵元之间节距400μm，有效焦度f′=2.21mm,所用的光学玻璃材料折射率n≥1.85。

3．微柱面透镜和微柱面透镜列阵901的粘合间隙907的间距为260μm和50μm时所得结果如表1所示。

                  表1

实施例	粘合间隙907的间隙	准直模块9和LDBAR之间耦合距离	耦合输出光功率(I=29A)	耦合效率	输出光束发散度(θ⊥×θ∥)
						1	50μm	88μm	18.9W	95％	3mrad×40mrad
2	260μm	88μm	17.0W	＞85％	3mrad×57mrad
						3	260μm	88μm	17.0W	＞85％	3mrad×57mrad

可见准直模块9的两准直光学元件微柱面透镜902和微柱面透镜列阵901的粘合间隙907的间距最佳为50μm；在260μm的粘合间隙907的间距下，准直模块9的耦合效率有所降低，输出光功率也降低了，当然输出光束θ_∥的发散度也增大了。

所以粘合间隙907的间距要匹配得当，同时从表1看出即使在粘合间隙907的间距在260μm时，其激光器的耦合效率也高于85％。也比在先技术中的小于70％的高。

本实施例充分证明了本实用新型上述的优点。

Claims (5)

1．一种带准直模块的线列阵半导体激光器，包括：

<1>管壳(1)，管壳(1)的底面是边缘四周均匀分布有四只螺丝沉孔(2)的底座(101)，管壳(1)的顶上是带有中心窗口(601)的盖板(6)，盖板(6)与底座(101)之间有管壁(102)，盖板(6)边缘上有凸肩(602)置于管壁(102)顶端口上的端口凹槽(5)内，在凸肩(602)与端口凹槽(5)的接合处置有密封胶，在管壳(1)外的底座(101)上有通到管壳(1)内的电极引脚(16)；

<2>在管壳(1)内的底座(101)上置有半导体致冷器(15)，在半导体致冷器(15)上置有过渡热沉(8)，在过渡热沉(8)上置有激光二极管线列阵(11)的热沉(13)，激光二极管线列阵(11)的发光面对准盖板(6)上带有窗片(10)的窗口(601)，激光二极管线列阵(11)和盖板(6)上的窗口(601)以及窗口(601)上的窗片(10)都与管壳(1)是同一中心轴线(00)；

其特征在于：

<3>置于激光二极管线列阵(11)与窗片(10)之间的窗口(601)内有包含微柱面透镜(902)和微柱面透镜列阵(901)的准直模块(9)，准直模块(9)内的微柱面透镜(902)对着激光二极管线列阵(11)的发光面，准直模块(9)的接收面(905)与盖板(6)的内表面齐平；准直模块(9)的中心轴线与窗口(601)与激光二极管线列阵(11)的中心轴线(00)重合，准直模块(9)与激光二极管线列阵(11)和窗片(10)同光轴；

<4>在管壳(1)内管壁(102)与半导体致冷器(15)和过渡热沉(8)之间有左右对称的固定在底座(101)上的两个调节固定块(4)，调节固定块(4)上有一端对着过渡热沉(8)，另一端与管壁(102)上的螺孔相通的调节螺丝孔(3)；

<5>在管壳(1)内管壁(102)与半导体致冷器15和过渡热沉(8)之间有前后对称的固定在底座(101)上的两个平移槽块(17)，平移槽块(17)对着过渡热沉(8)的部位有槽块凹槽(1701)与过渡热沉(8)上的热沉凹槽(801)相配构成一槽道，在槽道内置有导轨(20)；

<6>在半导体致冷器(15)与过渡热沉(8)之间有压电元件(14)；

<7>上述的两个调节固定块(4)和两个平移槽块(17)与过渡热沉(8)与半导体致冷器(15)之间均有电绝缘片(7)。

2．根据权利要求1所述的带准直模块的线列阵半导体激光器，其特征在于所说的准直模块(9)内的微柱面透镜(902)和微柱面透镜列阵(901)沿着长度方向的两端分别有第一固定块(904)和第二固定块(908)将两者固定，两者之间有粘合间隙(907)，在粘合间隙(907)里放有光学粘合胶，微柱面透镜(902)的两透光面和微柱面透镜列阵(901)的两透光面均镀有对激光二极管线列阵(11)的发射光束透过率大于或等于99.5％的增透膜(906)，微柱面透镜(902)的入光面为准直模块(9)的接收面(905)、微柱面透镜列阵(901)的出光面为准直模块(9)的输出面(903)。

3．根据权利要求1或2所述的带准直模块的线列阵半导体激光器，其特征在于所说的准直模块(9)的长度L_m大于激光二极管线列阵的长度L_c，即L_m＞L_c，准直模块(9)的宽度D_m大于激光二极管线列阵的宽度D_c，即D_m＞D_c。

4．根据权利要求1或2所述的带准直模块的线列阵半导体激光器，其特征在于所说的准直模块(9)内的微柱面透镜(902)的曲率半径R＜2mm，微柱面透镜(902)的焦距f＜1.5mm。

5．根据权利要求1或2所述的带准直模块的线列阵半导体激光器，其特征在于所说的准直模块(9)中微柱面透镜(902)与微柱面透镜列阵(901)之间的粘合间隙(907)的间距为50μm至260μm。

Images