專利名稱：帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種激光器模塊，具體的講，涉及具有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊。
背景技術：
作為一種極有潛力的新型腫瘤治療技術，光動力療法是集激光技術、光導技術、光信息處理等多項技術組成的高科技技術，大功率半導體激光器是光動力療法中最核心的設備，其技術含量也是最高的，生產光纖末端輸出功率大于2W的630nm激光器是目前國內外的一個技術瓶頸，根據目前國內外半導體激光器制造業的技術和能力，630nm波長附近單個激光管芯輸出功率大都在200-300mW以下，而最終我們的系統要求的光功率卻要小于或等于10W(考慮各級耦合、傳輸損耗)，甚至更高光功率。所以在完成管芯后，必須采用一些特殊的技術將多個激光管芯輸出進行合成以得到大功率。目前業界一般是采用兩種方法來解決激光耦合問題一種方式是每個管芯分別耦合至單根小孔徑光纖，然后再形成光束 (Bundle)輸出，如下圖IA所示采用這種方式的激光器存在以下缺點當光纖末端需要達到較大能量時至少需要多個個單管串聯或者并聯，每個激光器還要激光電源單獨供電，然后由多根小孔徑光纖形成合束，因此體積龐大、輸出光纖芯徑粗、故障率高、成本高。另一種方式是激光器本身采用陣列(Bar)形式，然后通過一組光學組件系統將能量耦合到一根較小孔徑的輸出光纖中， 如圖3所示。優點是體積小、高輸出功率、高耦合效率，光斑直徑小、穩定性好，較易驅動和控制。本系統采用第二種方式，采用傳導冷卻單陣列光纖耦合制作成激光模塊。而傳統的激光器一般只集成封裝有溫度傳感器或光電檢測二極管，不能更好地滿足特別是在醫療手術中的實際應用，故障率高。
發明內容
本發明的目的在于提供具有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器，在模塊中集成了傳統激光器所無法具備的多種檢測和保護功能，以解決激光醫療的實際使用情況中全過程的實時監控，保證激光器更加穩定地運行。為了實現上述目的，本發明提供了如下技術方案本發明的帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊，包括基板，基板上設置有半導體激光器單元，其用于產生激光并安裝于基板，在該單元的臨近位置設置有溫度傳感器，該溫度傳感器用于檢測激光器的實際工作溫度，為恒溫控制和過溫報警提供溫度檢測采樣信號；在基板上與半導體激光器單元出射位置設置有光功率傳感器，其作用是檢測激光器的實際光功率，為外部提供激光功率反饋采樣信號；包括光學聚焦鏡組、偏振耦合器、快慢光軸準直模塊組成的光學組件，設置于半導體激光器單元的出射光路軸線上， 作用是將半導體激光器產生的激光通過該光學組件聚焦發射于光纖連接器的中心軸上，同時保證當外部光纖旋接到光纖連接器時，能聚焦于光纖中心端面上，達到最大的光傳輸效率；同時在光纖連接器通道中設有光纖插入檢測傳感器和光纖接口溫度傳感器，用來檢測輸出端光纖是否銜接不良或接口因此引起的溫度過高，并將檢測到的信號反饋給設備中的控制系統進行處理。還可以獨立的或同時在基板中集成指示光光源、可置換保護窗口及光反射反饋窗本發明的首先是制作半導體激光器單元篩選半導體激光管管芯芯片，以鍍金的長方體熱沉作為中間載體，以整片的方式在熱沉上蒸鍍焊料，利用焊料在每個熱沉單位上粘結半導體激光器管芯芯片，粘結完畢后一起放入合金爐，采用金錫焊料，在^(TC 300°C及通氮氣保護條件下燒結10秒 60秒，將燒結后粘有芯片的熱沉單位從整片熱沉片上切割下來，利用銀漿單陣列排布粘結到合金銅層平面邊緣上，在半導體激光器管芯芯片的N面電極上鍵合金線，將金線連接陰極管腳上，合金銅層作為正極。芯片之間采用并聯陣列排布，整體固定在密封的金屬盒內，同時粘結好溫度傳感器、光功率傳感器、光纖插入探測傳感器和指示光光源部件等，并將其引線由信號排線接口集合最為信號線輸出接口。通過一組光學自建系統，調節好光學聚焦點，將激光能量耦合到光纖連接器(SMA905接口)標準輸出接口，保證最高的傳輸效率。本發明的有益效果在于，可以結合激光醫療的實際使用情況，在模塊中集成了傳統激光器所不具備的多種檢測和保護功能，如可置換保護窗口、光纖接口溫度傳感器、光功率傳感器、光纖插入檢測傳感器、光學組件及光反射反饋窗口等。優點是高輸出功率、高耦合效率、體積小、壽命長、穩定性好，可以實現工作全過程實時監控，保證了激光器在系統中更加安全可靠的運行。
圖1為依照現有技術的光纖耦合的原理示意圖。圖2為依照本發明的一種具體實施方式
的帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊主要部件半導體激光器單元的結構側視圖；圖3為依照本發明的一種具體實施方式
的帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊主要部件半導體激光器單元的結構立體4為安裝了依照本發明的一種具體實施方式
的帶有多種檢測傳感器和保護裝置的的整體模塊的結構示意圖。圖5為依照本發明的一種帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊內部主要部件和傳感器信號弓丨線連接圖。圖6為依照本發明的一種帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊采用其光學原理及具體實施三種應用舉例。
具體實施例方式圖2、圖3為示出了本發明的主要部件，即半導體激光器單元10的結構示意圖，參照圖2、3，該半導體激光器單元10包括一熱沉即半導體激光器正極104，壓接于該熱沉上的相互電隔離的半導體激光器負極103，以及設置于半導體激光器正極104上的半導體激光器管芯芯片陣列102。該半導體激光器正極可以是合金銅層，保證激光器在運行過程中所產生的熱量由該熱沉傳導。激光器管芯負極通過金線拉絲焊接到激光器負極103上面或者直接表面壓接，半導體激光器正極104和半導體激光器負極103通過銅螺柱13、銅螺柱14延伸固定至外殼基板100，參見圖4，同時使用塑料件保證正負極性間的良好絕緣，銅螺柱14 和銅螺柱13作為激光器供電的外部電源正負極輸入端子。A為半導體激光器管芯芯片陣列 102射出的激光束和方向。該半導體激光器單元10的制作方式如下首先篩選半導體激光管管芯芯片，以鍍金的長方體熱沉作為中間載體，此后，以整片的方式在熱沉上蒸鍍焊料，利用焊料在每個熱沉單位上粘結半導體激光器管芯芯片，粘結完畢后一起放入合金爐，采用金錫焊料， 在280°C 300°C及通氮氣保護條件下燒結10秒 60秒，將燒結后粘有芯片的熱沉單位從整片熱沉片上切割下來，利用銀漿單陣列排布粘結到合金銅層平面邊緣上，在半導體激光器管芯芯片的N面電極上鍵合金線，將金線連接陰極管腳上，合金銅層作為正極，芯片之間采用并聯陣列排布，數量可以單個或者多個并聯。該半導體激光器波長范圍為375nm 980nmo如圖4和圖5所示，該帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊，包括基板100，基板100上設置有半導體激光器單元10，其用于產生激光并安裝于基板，在該單元10的臨近位置設置有溫度傳感器20，該溫度傳感器20用于檢測激光器的實際工作溫度， 為恒溫控制和過溫報警提供溫度檢測采樣信號；在基板上與半導體激光器單元出射位置設置有光功率傳感器30，其作用是檢測激光器的實際光功率，為外部提供激光功率反饋采樣信號；包括光學聚焦鏡組87、偏振耦合器88、快慢光軸準直模塊89組成的光學組件，如圖 4、6所示，設置于半導體激光器單元10的出射光路軸線上，作用是將半導體激光器產生的激光通過該光學組件聚焦發射于光纖連接器40的中心軸上，同時保證當外部光纖旋接到光纖連接器40時，能聚焦于光纖中心端面上，達到最大的光傳輸效率，由圖6示意圖應用舉例可以看到，從半導體激光器管芯所發射出的激光束，經過光學組件進行準直、排列、聚焦轉變后，耦合到光纖連接器40中心軸向的焦點，當外部光纖通過光纖連接器銜接到該焦點時，保證該焦點上的激光能量匯聚于外部光纖中心端面重合。該方法比光束(Bundle)輸出形式輸出的激光器而言，可以并聯更多數量的激光器管芯且管芯間陣列排列封裝，最大優點是高功率、小體積；同時在基板100中還集成了指示光光源11，指示光所發射的光通過鏡組86反射進入偏振耦合器88，最后通過聚焦鏡組87可與半導體激光器所發射的光同時耦合進入外接光纖中，該指示光光源在醫療手術過程中具有靶向定位和治療指引的重要作用。光纖連接器40可以是SMA或者FC接口，偏振耦合器8和鏡組86呈45°安裝。在光纖連接器40通道中設有光纖插入檢測傳感器50和光纖接口溫度傳感器60， 用來檢測輸出端光纖是否銜接不良或脫落，以及接口因此引起的溫度過高，并將檢測到的信號反饋給設備中的控制系統進行處理，保證激光器的最大傳輸效率和安全地運行。這兩個傳感器為激光器有效傳輸提供檢測信號，更好地保護了激光器。可置換保護窗口 70安裝于光纖連接器40后端，主要作用是為了當頻繁連接外部光纖時，異物和灰塵極易通過光纖連接器40通道進入光學組件80腔體中，阻礙了軸向光學傳輸通道，嚴重影響傳輸效率。用此保護窗口可以保證腔體與外部的有效隔離；其二，為了對污染面進行清潔和更換，該保護窗口是嵌入式的固定于基板100，方便拆卸和更換。光反射反饋窗口 90設置在偏振耦合器88的一個分支光路上，其作用是在激光在傳輸過程中，當有激光由于外界原因反射時通過偏振耦合器88反射到該光反射反饋窗口， 為外部提供激光反射反饋光信號。方便控制系統用此功能進行檢測和控制。整個模塊采用密封封裝，內部充有氮氣，目的是為了防止在制冷的作用下半導體激光器由于溫差而產生結露現象，從而在工作過程中損壞激光器。所述的半導體激光器可以為單個或陣列排布直接焊接在熱沉上激光條。所述的光纖插入探測傳感器可以是機械式的或者是光電式的。所述的激光管溫度傳感器是負溫度系數熱敏電阻(NTC)或正溫度系數熱敏電阻 (PTC)。所述的光功率傳感器是光電二極管(PD)類型的光電式傳感器。所述的指示光光源是波長范圍為375 SOOnm的激光光源或LED光源
權利要求
1.一種帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊，其特征在于包括基板 100，基板100上設置有半導體激光器單元10，其用于產生激光并安裝于基板，在該單元10 的臨近位置設置有溫度傳感器20，該溫度傳感器20用于檢測激光器的實際工作溫度，為恒溫控制和過溫報警提供溫度檢測采樣信號；在基板上與半導體激光器單元出射位置設置有光功率傳感器30，其作用是檢測激光器的實際光功率，為外部提供激光功率反饋采樣信號； 包括光學聚焦鏡組87、偏振耦合器88、快慢光軸準直模塊89組成的光學組件，設置于半導體激光器單元10的出射光路軸線上，作用是將半導體激光器產生的激光通過該光學組件聚焦發射于光纖連接器40的中心軸上，同時保證當外部光纖旋接到光纖連接器40時，能聚焦于光纖中心端面上，達到最大的光傳輸效率；同時在光纖連接器40通道中設有光纖插入檢測傳感器50和光纖接口溫度傳感器60，用來檢測輸出端光纖是否銜接不良或接口因此引起的溫度過高，并將檢測到的信號反饋給設備中的控制系統進行處理。
2.如權利要求1所述帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊，其特征是還包括可置換保護窗口 70，其安裝于光學組件80與光纖連接器40之間，主要作用是為了當頻繁連接外部光纖鏡面有灰塵或者污垢殘留時方便更換。
3.如權利要求1所述帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊，其特征是還包括光反射反饋窗口 90，其設置在偏振耦合器88的一個分支光路上，其作用是在激光在傳輸過程中，當有激光反射時通過偏振耦合器88反射到該光反射反饋窗口，為外部提供激光反射反饋。
4.如權利要求1所述帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊，其特征是所述的半導體激光器為單個或陣列排布直接焊接在熱沉上激光條。
5.如權利要求1所述帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊，其特征是所述的光纖插入探測傳感器可以是機械式的或者是光電式的。
6.如權利要求1所述帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊，其特征是所述的激光管溫度傳感器是負溫度系數熱敏電阻(NTC)或正溫度系數熱敏電阻(PTC)。
7.如權利要求1所述帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊，其特征是所述的光功率傳感器是光電二極管(PD)類型的光電式傳感器。
8.如權利要求1所述帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊，其特征是所述的指示光光源是波長范圍為375 SOOnm的激光光源或LED光源。
全文摘要
本發明涉及帶有多種檢測傳感器和保護裝置的半導體激光器模塊，包括半導體激光器，激光管溫度傳感器，光纖接口溫度傳感器，光功率傳感器，光纖插入檢測傳感器，指示光光源，可置換保護窗口，光學組件及光反射反饋窗口。由于在激光模塊中封裝多種檢測傳感器和保護裝置，可以實現控制系統對激光器更有效的實時地控制和監測，從而保證激光器更加穩定地運行，同時采用了半導體激光芯片陣列封裝和系列光學組件耦合，使激光器輸出功率高；優點是高輸出功率、高耦合效率，體積小、壽命長、穩定性好。
文檔編號H01S5/06GK102315586SQ201010215178
公開日2012年1月11日 申請日期2010年6月29日 優先權日2010年6月29日
發明者吳榮亮, 杜毅 申請人:深圳市雷邁科技有限公司