專利名稱：高功率小型激光器封裝的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光技術領域，尤其涉及一種能夠并行輸出的高功率小型激光器。
背景技術：
目前，產生可見光和紫外光的激光器已經可以實現小型化、低損耗、高功率。因此在激光顯示、光學存儲、光譜分析等領域可以有廣泛的應用。在可見光區域內，較短波長(如400nm-445nm)范圍內，已經出現商用價值的激光器，然而獲得波長大于470nm(綠光)的高功率激光的技術卻仍在探索中。產生綠光的現有技術，是泵浦光(如波長為808nm的激光)通過摻釹的激光晶體(如Nd:YAG, Nd:YV04)、非線性晶體(如K TP、LB0)或周期性極化非線性晶體(PPMgOLN、PPZnOLT, PPLN)的倍頻作用，產生倍頻光(如波長為532nm)。基于上述原理，可以將結構進行簡化，制作小型化激光器，如在申請號為W02010138116、W02011028207，以及US7724797的專利申請中介紹的那樣，它的基本結構包含LD泵浦光源，自聚焦耦合鏡，非摻雜/摻雜的激光晶體與非線性倍頻晶體共同構成的微型芯片，輸出鏡。若將周期性極化非線性晶體(如PPMgOLN)作為非線性倍頻晶體，可以實現高功率綠光激光的輸出，如專利號為US7724797所述，綠光的轉化效率可以達到20-30%，遠遠高于使用KTP作為倍頻晶體所達到的轉化效率。上述方案，雖然具有小型化、高功率、結構緊湊等特點，但所使用的元器件數量眾多，各元器件相互獨立，激光器內部結構復雜，導致調節不方便，不利于大規模生產；并且由于LD泵浦光源的最大輸出功率制約著綠光轉化效率，因此，此類型高功率小型激光器存在輸出功率的極限，無法滿足客戶的定制要求。上述專利僅僅描述的是單一性激光器，LD泵浦光源的最大輸出功率制約著激光器的最大轉化效率。為了實現更高功率激光的輸出，滿足客戶的定制要求，可以使用激光陣列并行輸出的技術。現有的技術，有一種擴展腔表面發射的激光技術(VECSELs),如在申請號為W02006105258的專利申請中介紹的那樣，它是包含表面發射的激光陣列、非線性晶體、腔內倍頻的半導體激光器技術。而固體激光器現有技術主要是針對一束固體激光的輸出或者是多束固體激光束通過耦合鏡陣列耦合成高功率固體激光器的應用，如申請號200710121829. 7的專利申請中介紹的那樣。上述技術方案，LD陣列泵浦光源基于同一襯底，因此熱量高度集中，不易散熱。另外，雖然LD激光器面陣內的多個LD激光器之間為串聯、并聯、或者串聯并聯相結合、或者各自獨立，但光路中未加入ro反饋，因此無法獲知各個LD泵浦光源輸出的泵浦光是否滿足要求，進而導致上述連接方式使得LD泵浦光源無法達到最佳效果。并且激光晶體和非線性晶體對溫度較為敏感，使用同一晶體，可能導致晶體內部各點溫度不均，不利于激光的高功率輸出。
發明內容
為解決現有技術存在的問題，本發明提供一種體積小、結構簡單、調節和維修方便，穩定性好的高功率固體激光器。本發明采用的技術方案是
一種高功率小型激光器封裝，包括LD泵浦光源、激光模塊(如mGreen模組)、PD反饋器、反射鏡，以及輸出濾波片，其特點是，上述元件均以金屬管殼作為承載并固定在其上，且所有組件均封裝在激光器保護管殼內，LD泵浦光源固定在豎直的金屬管殼上；所述激光模塊，由激光晶體和光學倍頻晶體構成，固定在金屬管殼的內壁上，其中激光晶體和光學倍頻晶體上鍍有特殊鍍膜，激光晶體和光學倍頻晶體以及晶體上的鍍膜共同形成光學諧振腔；所述LD泵浦光源發出的泵浦光照射在所述激光模塊上；輸出濾波片垂直于金屬管殼放置于另一端，形成單一平臺高功率小型激光器結構。上述方案中，LD泵浦光源出射光束偏振態為分為TM模式和TE模式，當調節LD的放置方向，偏振方向垂直于底部金屬管殼時，將所述激光模塊平行于底部金屬管殼放置；當調節LD的放置方向,偏振方向平行于底部金屬管殼時,將所述激光模塊垂直于底部金屬管殼放置。所述激光模塊與光傳播方向平行。
上述方案中，所述綠光激光器的金屬管殼上有I處刻有定位線；所述定位線定位所述激光模塊到LD泵浦光源的最佳距離。上述方案中，所述ro反饋器放置在LD泵浦光源的發光點后端的熱沉上；泵浦光源的散射光，由ro反饋器接收。上述方案中，所述ro反饋器放置在LD泵浦光源的發光點后面；泵浦光源的散射光，由ro反饋器接收。上述方案中，所述的高功率小型激光器的反射鏡與金屬管殼呈45°放置，PD反饋器置于反射鏡正下方；綠光經過反射鏡，有極少數綠光被反射，由ro反饋器接收。上述方案中，LD泵浦光源為陣列型，所述激光模塊放置于底部金屬管殼，與光傳播方向平行，分別與陣列型LD泵浦光源的各發光點對齊，構成單一平臺激光器陣列結構。上述方案中，所述綠光激光器的金屬管殼上多處刻有定位線；所述定位線定位所述LD泵浦光源之間的最佳距離。我們還提供一種高功率小型激光器封裝，包括LD泵浦光源、激光模塊、反射鏡、PD反饋器、輸出濾波片、半導體制冷器(TEC)、散熱片以及支撐架，其特點是，將上述方案中的激光器陣列結構置于TEC上，TEC的另一端放置在散熱片上。將上述結構兩兩相對放置。以支撐架作為承載并固定在其上，形成高功率小型激光器雙陣列結構。我們還提供一種高功率小型激光器封裝，包括LD泵浦光源、激光模塊、反射鏡、PD反饋器、輸出濾波片、半導體制冷器(TEC)、散熱片以及支撐架，其特點是，將上述方案中的激光器陣列結構置于TEC上，TEC的另一端放置在散熱片上。將上述結構兩兩相向放置，以支撐架作為承載并固定在其四個側面上，形成高功率小型激光器環繞陣列結構。我們還提供一種驅動反饋系統，應用于高功率小型激光器驅動系統中的驅動電路。包括LD泵浦光源、H)反饋器、TEC，以及溫度傳感器。驅動系統給TEC供電，溫度傳感器感應TEC的溫度，將信號反饋給TEC，進而控制溫度為恒定值。上述方案中，所述的驅動反饋系統，其中驅動系統給LD泵浦光源供電，PD反饋器將感應到的LD發射出的光信號轉變成電信號反饋給驅動系統，進而驅動系統調節輸出的電流大小，來控制LD發射的泵浦光的強弱。上述方案中，所述的驅動反饋系統，LD泵浦光源采用串聯方式連接，各LD泵浦光源間的電流相同，易于布線。
上述方案中，所述的驅動反饋系統，LD泵浦光源采用并聯方式連接，各LD泵浦光源間的電壓相同，各LD泵浦光源相對獨立，易于更換。本發明的優點在于I、本發明將LD泵浦的高功率小型激光器的所有組件都封裝在一個金屬管殼內，結構簡單，大大降低了生產成本，適合于大批量生產。2、本發明所使用的LD泵浦光源為陣列式，各模塊之間相互獨立，易于更換損壞的模塊。3、本發明使用的激光模塊(如mGreen模塊)，該模塊將激光晶體、倍頻晶體在同一襯底上，分別通過焊接或粘接的方式組裝成為一個整體，具有結構簡單、體積小巧、易于封裝、成本低廉等特點。
4、本發明使用陣列式激光模塊，各個激光模塊相對獨立，更換方便，相互不受影 響，可以對激光模塊進行更方便的調節，使得各激光光束達到的最佳性能。5、本發明所提出的技術方案能夠實現高功率激光的輸出，可以根據客戶需要，增減LD泵浦光源和對應的激光模塊的數量，從而滿足客戶的定制要求。6、本發明考慮到LD泵浦光源分為TE和TM兩種模式，通過上述方案，將LD的放置方式與激光模塊的放置方式進行了優化總結，進而達到最大功率輸出。7、與現有技術相比，本發明充分考慮了溫度對高功率小型激光器的輸出功率的影響，且通過上述方案，將這種影響降至較低的水平。8、本發明考慮到眾多元器件的驅動反饋的問題，利用ro反饋器的反饋信號來控制LD泵浦光源的輸出能量；利用溫度傳感器的反饋信號來控制TEC的溫度變化。通過上述方案，使得各元器件能更穩定的運行。9、本發明采用串聯電路或并聯電路的形式為LD泵浦光源供電，采用串聯電路時，各LD泵浦光源間的電流相同，布線簡單；同樣地，采用并聯電路時，雖然布線較復雜，但各LD泵浦光源間的電壓相同，各個LD泵浦光源相對獨立，易于更換。
圖Ia是本發明的高功率小型激光器的第一個實施例的結構框圖；圖Ib是本發明的高功率小型激光器的第一個實施例的結構俯視框圖；圖2a是本發明的高功率小型激光器的第二個實施例的結構框圖；圖2b是本發明的高功率小型激光器的第二個實施例的結構俯視框圖；圖3是本發明的高功率小型激光器的第三個實施例的結構框圖；圖4是本發明的高功率小型激光器的第四個實施例的結構框圖；圖5是本發明的高功率小型激光器的第五個實施例的結構框圖；圖6是本發明的高功率小型激光器的溫度反饋的示意圖；圖7是本發明的聞功率小型激光器的LD串聯反饋電路的不意圖；圖8是本發明的高功率小型激光器的LD并聯反饋電路的示意圖。
具體實施例方式以下結合具體實施例及其附圖對本發明進一步說明。
需要說明的是，LD泵浦光源用于發射泵浦光；所述泵浦光的波長可以有多種可能。在以下實施例中，所述LD泵浦光源發射的泵浦光的波長為808nm。在圖Ia和圖Ib是本發明的高功率小型激光器的第一個實施例的結構圖。該實施例包括LD泵浦光源101，垂直固定在金屬管殼106的側壁上，LD泵浦光源101產生的熱量均勻的傳遞到金屬管殼106上，從而達到較好的散熱效果。激光模塊103 (如mGreen模組)中的激光晶體和光學倍頻晶體上鍍有特殊鍍膜；所述晶體以及晶體上的鍍膜共同形成光學諧振腔，固定在金屬管殼106的底部內壁上。金屬管殼106的材料一般采用銅，鋁等導熱材料。為保證實施例內部潔凈，將上述實施例置于一個半密封的保護管殼108內。圖Ib是本發明的高功率小型激光器的第一個實施例的結構俯視圖。該實施例中，在金屬管殼106的一處刻有定位線110，上述定位線110是用來定位LD泵浦光源和激光模塊的距離，在此距離下，綠光輸出功率最佳。一般的，LD到激光模塊的定位線110間距范圍為O. 3-1_之間。上述實施例中，通過H)反饋器102的反饋信號來調節LD泵浦光源的輸出能量，從而實現穩定的功率輸出，ro反饋器102的放置位置可以有三種情況1、將ro反饋器102置 于LD泵浦光源101發光點的后端的熱沉上，此時ro反饋器102能夠較好的探測到LD泵浦光源101的散射光功率。2、將ro反饋器102置于LD泵浦光源101發光點后面的金屬管殼上，此處空間較大，較易安裝，此時ro反饋器102也能夠較好的探測到LD泵浦光源101的散射光功率。3、將反射鏡104與金屬管殼106呈45°放置，H)反饋器102置于反射鏡104下方，此時有極小部分反射光入射到ro反饋器102上。在圖2a和圖2b是本發明的高功率小型激光器的第二個實施例的結構圖。該實施例包括LD泵浦光源201、PD反饋器202、激光模塊203、金屬管殼206、反射鏡204、輸出濾波片205、半密封保護管殼208、定位線210。不同于前述第一實施例，該實施例中，LD泵浦光源201平行固定在金屬管殼106的側壁上。激光器其余結構均與前述實施例一樣。上述實施例中，LD泵浦光源出射光束偏振態為分為TM模式和TE模式，當調節LD的放置方向，偏振方向垂直于底部金屬管殼時，將所述激光模塊平行于底部金屬管殼放置；當調節LD的放置方向,偏振方向平行于底部金屬管殼時,將所述激光模塊垂直于底部金屬管殼放置。所述激光模塊與光傳播方向平行。上述兩個實施例均實現的是綠光點光源的輸出，若要實現綠光的大功率面光源輸出，還需要對上述實施例進行改進。在第三個實施例中，如圖3所示。該實施例包括LD泵浦光源301、金屬管殼306、定位線303和310、激光模塊(圖中未畫出)、Η)反饋器307、LD的H)反饋器307 (圖中未畫出)、反射鏡304、輸出濾波片305、半密封保護管殼(圖中未畫出)。不同于第二個實施例的是，LD泵浦光源301為陣列型，上述定位線303是垂直于定位線310，分別用來定位LD泵浦光源和激光模塊的橫向距離，一般的，LD泵浦光源的發光點間距在3. Omm-lO. Omm之間，用以實現808nm面光源輸出。上述定位線分別與陣列型LD泵浦光源的各發光點對齊，位于激光模塊(圖中未畫出)的下方，且與光傳播方向平行。激光器其余結構均與第二實施例一樣。第三實施例可以實現單陣列高功率小型激光輸出。基于此思想，也可以實現雙陣列高功率激光輸出，在第四個實施例中，如圖4所示。為了達到最佳的散熱效果，在第3實施例的基礎上，將金屬管殼404的底部放置在半導體制冷器(TEC) 402上，半導體制冷器(TEC) 402的另一端放置在散熱片403上。TEC會將環境溫度穩定在預設的溫度范圍內，從而保證激光器的穩定運行，從而構成了穩定輸出的高功率小型激光器結構。為了使單位面積上的輸出功率最大，將上述結構兩兩相對放置，并使用兩個支撐架405將其固定。同理，基于此思想，也可以實現環繞型面光源的高功率激光輸出，在第五實施例中，如圖5所示。在第四實施例的基礎上，將上述高功率小型激光器結構兩兩相對放置，以正方形支撐架作為承載并固定在其四個側面上。為了實現上述第三實施例、第四實施例和第五實施例的功能，需要高功率小型激光器的各驅動電路進行供電。如圖6所示，驅動系統通過引線601和602給TEC供電，溫度傳感器感應TEC的溫度，將信號反饋給驅動系統，進而驅動系統調節輸出的電流大小，來控制TEC的溫度為恒定值。同樣的，為了實現高功率激光器的激光輸出，我們將LD泵浦光源進行串聯或并聯。如圖7所示，LD泵浦光源間采用串聯方式，LD泵浦光源正負極首尾相連，驅動系統通過引線701和702給LD泵浦光源供電，各LD泵浦光源間的電流相同，此電路具有布線簡單、電流恒定等特點。當然，我們還可以將LD泵浦光源間采用并聯方式，如圖8所示，驅動系統 通過引線801和802給LD泵浦光源供電，不同于串聯方式，各LD泵浦光源間的電壓相同，各LD泵浦光源間相互獨立，易于更換。同時，反饋器將感應到的LD陣列(虛線區域內)發射出的總光信號轉變成電信號反饋給驅動系統，進而驅動系統調節輸出的電流大小，來控制LD發射的泵浦光的強弱，采用此反饋方法，可以更好的探測LD泵浦光源的輸出功率。需要指出的是，以上僅以激光模塊為例說明了本發明的基本思想。顯然，本發明可應用于基于倍頻以外，例如差頻、和頻等非線性過程的激光芯片制作。本發明可應用于綠光激光器外，還可應用于其它波長的激光器。同時還需要指出的是，以上用于制作的激光晶體可為其他摻雜的增益介質，如摻釹釩酸釓(Nd:GdV04)等，而非線性倍頻晶體可以為其他晶體，例如周期極化的鉭酸鋰(PPLT)，周期極化的磷酸鈦氧鉀(PPKTP)，三硼酸鋰(LBO)和磷酸鈦氧鉀(KTP)等。
權利要求
1.一種高功率小型激光器封裝，包括LD泵浦光源、反射鏡、PD反饋器、輸出濾波片、以及激光模塊(如mGreen模組)，其特點是，上述元件均以金屬管殼作為承載并固定在其上，且所有組件均封裝在激光器保護管殼內，LD泵浦光源固定在豎直的金屬管殼上；所述激光模塊，由激光晶體和光學倍頻晶體構成，固定在金屬管殼的內壁上，其中激光晶體和光學倍頻晶體上鍍有特殊鍍膜，激光晶體和光學倍頻晶體以及晶體的鍍膜共同形成光學諧振腔；所述LD泵浦光源發出的泵浦光照射在所述激光模塊上；輸出濾波片垂直于金屬管殼放置于另一端，形成單一平臺高功率小型激光器結構。
2.權利要求I所述LD泵浦光源出射光束偏振態為TM模式或TE模式，當調節LD的放置方向，偏振方向垂直于底部金屬管殼時，將所述激光模塊平行于底部金屬管殼放置；當調節LD的放置方向,偏振方向平行于底部金屬管殼時,將所述激光模塊垂直于底部金屬管殼放置。所述激光模塊與光傳播方向平行。
3.權利要求I所述的高功率小型激光器封裝，其特征在于，所述高功率小型激光器的金屬管殼上有I處刻有定位線；所述定位線定位所述激光模塊到LD泵浦光源的最佳距離。
4.權利要求I所述的高功率小型激光器，其特征在于，ro反饋器放置在LD泵浦光源的發光點后端的熱沉上；泵浦光源的散射光，由ro反饋器接收。
5.權利要求I所述的高功率小型激光器，其特征在于，ro反饋器放置在LD泵浦光源的發光點后面；泵浦光源的散射光，由ro反饋器接收。
6.權利要求I所述的高功率小型激光器，其特征在于，反射鏡與金屬管殼呈45°放置，PD反饋器置于反射鏡正下方；綠光經過反射鏡，有極少數綠光被反射，由ro反饋器接收。
7.權利要求I所述的高功率小型激光器封裝，其特征在于，LD泵浦光源及激光模塊為陣列型，所述激光模塊放置于底部金屬管殼，與光傳播方向平行，分別與陣列型LD泵浦光源的各發光點對齊，構成激光器陣列結構。
8.權利要求I所述的高功率小型激光器封裝，其特征在于，所述高功率小型激光器的金屬管殼上多處刻有定位線；所述定位線定位所述LD泵浦光源之間的最佳距離。
9.一種高功率小型激光器封裝，包括LD泵浦光源、激光模塊、反射鏡、PD反饋器、輸出濾波片、半導體制冷器(TEC)、散熱片以及支撐架，其特點是，將權利要求7所述的激光器陣列結構置于TEC上，TEC的另一端放置在散熱片上。將上述結構兩兩相對放置。以支撐架作為承載并固定在其上，形成高功率激光器雙陣列結構。
10.一種高功率小型激光器封裝，包括LD泵浦光源、激光模塊、反射鏡、ro反饋器、輸出濾波片、TEC、散熱片以及支撐架，其特點是，將權利要求7所述的激光器陣列結構置于TEC上，TEC的另一端放置在散熱片上。將上述結構兩兩相向放置，以支撐架作為承載并固定在其四個側面上，形成高功率激光器環繞陣列結構。
11.一種驅動反饋系統，應用于高功率激光器驅動系統中的驅動電路。包括LD泵浦光源、PD反饋器、TEC,以及溫度傳感器。其特征在于，驅動系統給TEC供電，溫度傳感器感應TEC的溫度，將信號反饋給TEC，進而控制溫度為恒定值。
12.權利要求11所述的驅動反饋系統，其特征在于，驅動系統給LD泵浦光源供電，PD反饋器將感應到的LD發射出的光信號轉變成電信號反饋給驅動系統，進而驅動系統調節輸出的電流大小，來控制LD發射的泵浦光的強弱。
13.權利要求11所述的驅動反饋系統，其特征在于，LD泵浦光源采用串聯方式連接，各LD泵浦光源間的電流相同，易于布線。
14.權利要求11所述的驅動反饋系統，其特征在于，LD泵浦光源采用并聯方式連接，各LD泵浦光源間的電壓相同，各LD泵浦光源相對獨立，易于更換。
15.權利要求3所述的定位線，其特征在于，LD到激光模塊的定位線間距范圍為O.3-1. Omm 之間。
16.權利要求8所述的定位線，其特征在于，LD泵浦光源的發光點間距在3.0-10. Omm之間。
全文摘要
本發明公開了一種高功率小型激光器封裝，該高功率激光器的結構包括LD泵浦光源、由激光晶體和光學倍頻晶體構成的激光模塊(如mGreen模組)、反射鏡、PD反饋器、輸出濾波片、半導體制冷器(TEC)，以及散熱片。其特點是，上述元件以金屬管殼作為承載平臺并固定在其上，且所述組件封裝在激光器保護管殼內，帶PD反饋器的LD泵浦光源陣列排布在金屬管殼側壁上，激光模塊安裝在金屬管殼上，與光傳播方向平行，分別與陣列型LD泵浦光源的各發光點對齊；反射鏡與金屬管殼呈45°放置，PD反饋器置于反射鏡下方，輸出濾波片垂直于金屬管殼放置于另一端，形成高功率激光器陣列結構。該高功率激光器相比于現有技術具有成本低、體積小、結構簡單、調節和維修方便，穩定性好等特點。利用該高功率激光器結構可以大大提高生產效率、因此適合大批量自動化生產。
文檔編號H01S3/02GK102820605SQ201210325900
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月6日 優先權日2012年9月6日
發明者徐長青, 蘇紅平, 路洋, 林紹杰 申請人:南京長青激光科技有限責任公司