用于實現光學匯聚的vcsel激光器封裝結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種用于實現光學匯聚的垂直腔面發射激光器(VerticalCavity Surface Emitting Laser，簡稱VCSEL)封裝結構，屬于半導體激光器技術領域。
【背景技術】
[0002]在半導體激光器領域，根據發光方向與激光芯片所在外延片平面的關系，激光器可劃分為垂直腔面發射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，簡稱VCSEL)與邊發射半導體激光器(Edge Emitting Laser D1de)兩類。其中，垂直腔面發射激光器的發光方向垂直于外延片方向，從反應區的頂面射出，而邊發射半導體激光器的發光方向平行于外延片方向，從反應區的邊緣射出。垂直腔面發射激光器(VCSEL)與邊發射半導體激光器的結構可參見圖1所示的示意圖。
[0003]過去二十年間，在高功率半導體激光器領域，基于GaAs材料的邊發射半導體激光器一直占據統治地位，并廣泛應用于工業、醫療、科研等領域。而傳統的垂直腔面發射激光器由于具有相對較低的光電效率、較差的光學亮度，在高功率半導體激光器市場一直沒有得到關注。
[0004]隨著技術的進步，VCSEL逐漸實現了接近于邊發射半導體激光器的高功率輸出，同時由于其獨特的結構，其應用中的諸多優點，如高可靠性、耐高溫、光學分布均勻、表面高反射率等等，逐漸在部分領域形成對邊發射半導體激光器的有力競爭。例如，在部分激光醫療和工業應用中，為了克服邊發射激光器始終面臨著可靠性不高、工作溫度苛刻、光學匯聚效率低、光強分布不均勻等缺點，可以考慮使用VCSEL代替邊發射半導體激光器，并通過對VCSEL進行光學匯聚使其達到較高的光學匯聚效率，同時可以改善光強分布的均勻性。
[0005]VCSEL的具體結構及其光斑特性如圖1和圖2所示:VCSEL通常以陣列形式進行光學應用，VCSEL的發光方向垂直于外延片所在平面，其發光區是圓形光源，發散角較小(發散角全角約為15?20度左右)，其遠場光強近似平頂分布，能量均勻。因此，與邊發射半導體激光器相比，VCSEL陣列發射的光線將更容易匯聚，并且在遠場目標物上能量分布更加均勻。
[0006]現有技術中，VCSEL的封裝結構如圖3所示，通常將單個VCSEL芯片直接焊接于散熱襯底上，散熱襯底的下表面焊接在熱沉上，散熱襯底具有良好的導熱性，并通過熱沉將VCSEL的熱量及時散發出去，從而實現對使用中的VCSEL進行冷卻。在實際使用時，多個VCSEL組成如圖2所示的面陣列，通過將多個VCSEL芯片緊密排列在一塊水平的熱沉上組成VCSEL陣列，可以形成一個更大的出光面，多個VCSEL芯片之間通過金絲焊接。
[0007]在醫療、工業等諸多高功率應用場合中，往往需要將多個激光器芯片輸出的激光光束進行匯聚，以期在目標位置達到更高的功率密度。現有技術中，通過控制邊發射激光器的芯片間距、光學準直、透鏡聚焦，目前已經可以實現較小的光斑和極高的功率密度。用于邊發射激光器的光束壓縮方法的具體內容可以參見中國發明申請CN201210054447.8中公開的內容。而對于VCSEL，由于是面發光結構，芯片之間間距無法進一步壓縮，光學準直亦比較困難，因此，應用于邊發射半導體激光器陣列的光學匯聚方法并不適于對VCSEL陣列的光學匯聚。因此，如何在特定位置對多個VCSEL芯片進行聚焦，仍然是一個急需解決的問題。
【發明內容】
[0008]本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種用于實現光學匯聚的VCSEL激光器封裝結構。
[0009]為了實現上述目的，本實用新型采用下述技術方案:
[0010]一種用于實現光學匯聚的VCSEL激光器封裝結構，包括由多個VCSEL芯片組成的VCSEL陣列和用于封裝VCSEL陣列的弧形熱沉，所述弧形熱沉的封裝面的截面是一個圓的部分外切多邊形，所述封裝面由多個相互呈一定角度的小封裝平面組成，所述封裝面內凹，并且，每個小封裝平面的中心法線在圓心位置處相交；
[0011]所述VCSEL陣列中的所有VCSEL芯片分別安裝于所述熱沉的各個小封裝平面上，從而使所有VCSEL芯片分布在同一圓的外圓周上，并且，所有VCSEL芯片的中心法線在圓心位置相交形成焦點，所述VCSEL芯片到焦點的距離構成焦距。
[0012]其中較優地，每個所述小封裝平面用于封裝一個或多個VCSEL芯片。
[0013]其中較優地，所述VCSEL陣列前方設置有一個入光面的截面為圓弧狀或圓弧面外切多邊形的光學傳輸器件，所述光學傳輸器件的內壁平行于以焦點為圓心、以焦距為半徑的圓的半徑方向，所述光學傳輸器件的長度小于所述VCSEL陣列焦距的長度。
[0014]其中較優地，所述光學傳輸器件是內壁拋光的反射鏡筒或者基于內壁全反射的導光錐。
[0015]其中較優地，所述導光錐的入光面和出光面蒸鍍光學增透膜。
[0016]其中較優地，所述VCSEL陣列中，所有所述VCSEL芯片緊密排列；
[0017]所述光學傳輸器件的入光面全部覆蓋且僅覆蓋所述VCSEL芯片陣列的發光區域。
[0018]本實用新型通過改變VCSEL芯片陣列的排列形狀實現VCSEL激光的匯聚。具體在其封裝結構中，通過內凹的弧形熱沉對VCSEL陣列進行封裝，使得激光在圓心位置附近達到光束匯聚的目的。并且，通過在VCSEL陣列前方設置透射性光學器件實現了光束的進一步壓縮。這種VCSEL陣列的封裝結構，用非常簡潔的方式改變VCSEL芯片陣列的排列形狀，實現了多個VCSEL芯片在特定位置的光束匯聚，在激光醫療和工業激光加工領域具有廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0019]圖1是垂直腔面發射激光器和邊發射激光器的結構示意圖；
[0020]圖2是垂直腔面發射激光器陣列的發光方向示意圖；
[0021]圖3是現有技術中單個VCSEL芯片的封裝結構示意圖；
[0022]圖4是本實用新型所提供的VCSEL激光器的匯聚原理示意圖；
[0023]圖5是本實用新型所提供的弧形熱沉的正視示意圖；
[0024]圖6是圖5所示弧形熱沉的立體結構示意圖；
[0025]圖7是基于圖6所示弧形熱沉的VCSEL陣列的封裝結構示意圖；
[0026]圖8是圖7所示VCSEL芯片陣列的封裝結構的匯聚原理示意圖；
[0027]圖9是基于弧形熱沉和導光錐的VCSEL激光器的封裝結構示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型的技術內容進行詳細具體的說明。
[0029]本實用新型通過改變VCSEL陣列的排列形狀，實現多個VCSEL芯片在特定位置的光束匯聚。如圖4所示，在該光學匯聚方法中，通過使VCSEL陣列中所有VCSEL芯片I或其正投影分布于同一圓的外圓周上，并使所有VCSEL芯片I的中心法線在圓心位置相交構成焦點，實現VCSEL芯片發光單元的光束匯聚。由于VCSEL陣列中，VCSEL芯片通常緊密排列在一定區域內，因此，定義VCSEL芯片的分布方式為扇形分布，并定義VCSEL芯片I到焦點的距離為焦距。
[0030]由于VCSEL芯片是圓形光源，發散角較小(發散角全角約為15?20度左右)，其遠場光強近似平頂分布，能量均勻。因此，通過改變VCSEL芯片的排列方式，使不同VCSEL芯片I向同一位置發射激光，即可實現所有VCSEL芯片I在圓心位置的功率疊加。與邊發射半導體激光器相比，由于VCSEL發射的激光束的發散角較小，VCSEL陣列發射的光線匯聚更易于實現，并且其在遠場目標物上能量分布更加均勻。
[0031]為了實現VCSEL芯片的扇形分布，發明人經過試驗研宄，制作了一種封裝面的截面呈圓弧狀外切多邊形的熱沉。由于該熱沉的封裝面近似弧形，簡稱為弧形熱沉。通過該具有內凹形封裝面的弧形熱沉對VCSEL陣列進行封裝。該弧形熱沉的封裝面如圖6所示，是由多個分布在不同高度且相互呈一定角度的小封裝平面組成，多個小封裝平面組成一個以焦點為圓心的圓的外切多邊形，并且，每個小封裝平面的中心法線在圓心位置相交。其具體結構以及對VCSEL陣列的封裝方式將在下文實施例中詳細介紹。
[0032]此外，為了進一步壓縮VCSEL芯片的光束，同時限定激光的傳播，在VCSEL芯片的前方還可以設置光學傳輸器件3。通過使用一個入光面的截面為圓弧狀或圓弧面外切多邊形的光學傳輸器件3可以對VCSEL陣列射出的激光進行進一步壓縮。其中，光學傳輸器件3設置在VCSEL陣列的出光面的前方，光學傳輸器件3的內壁平行于以焦點為圓心、以焦距為半徑的圓的半徑方向，并且，光學傳輸器件3的長度小于焦距的長度。實際使用時，光學傳輸器件3可以采用內壁拋光的反射鏡筒或者基于內壁全反射的導光錐。
[0033]下面，結合具體實施例對本實用新型提供的用于實現上述光學聚焦方法的VCSEL激光器的封裝結構進行說明。
[0034]第一實施例
[0035]為了將多個VCSEL芯片的光束匯聚到一起，本實用新型提供了一種封裝面的截面外切于圓弧面的多邊形熱沉，用于封裝VCSEL激光器陣列，從而使得在弧面圓心位置附近，實現了多個VCSEL芯片在一個方向上的光學匯聚。
[0036]如圖5、圖6和圖7所示，弧形熱沉2的封裝面的截面近似于內凹的弧形。具體為由多個小封裝平面20的截面彼此相互呈一定角度構成的多邊形，該多邊形是以VCSEL陣列的焦點(目標物所在的匯聚點)為圓心O、以焦距為半徑R的圓的部分外切多邊形，其中，每個小封裝平面20的中心法線均匯聚于焦點。實際使用中，其匯聚點可以有一定偏差，只要小封裝平面20的中心法線可以匯聚于焦點附近即可，但偏差的范圍應限制在一個極小的角度內。
[0037]本實用新型所提供的VCSEL激光器的封裝結構，使用上述弧形熱沉2對VCSEL陣列中所有的VCSEL芯片進行封裝。如圖7所示，分別將VCSEL陣列中的所有VCSEL