一种半导体激光器的制作方法

1.本技术涉及激光技术领域，特别是涉及一种半导体激光器。


背景技术：

2.激光具有单色性好、相干性好、方向性好，激光器由于体积小、重量轻、寿命长等特性，广泛应用于各个领域，如医疗、照明、加工制作等等。目前，激光在应用时都要进行准直矫正，一般通过反射棱镜进行反射和通过准直透镜进行准直，但是反射棱镜和准直透镜在封装时需要的安装精确度要求较高，稍有不慎就会存在位置偏差，这些偏差累计会对整个激光器的出光效率造成较大的影响，同时需求的封装空间较大，不能最大程度地降低封装尺寸。


技术实现要素：

3.本技术主要解决的技术问题是:提供一种半导体激光器，解决封装结构和封装工序复杂，准直透镜和反射镜安装不便的问题。
4.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种半导体激光器，所述半导体激光器包括：
5.管壳，所述管壳的一端为出光面；
6.多个发光模组，所述发光模组包括激光芯片和热沉，所述激光芯片和所述热沉均设置于所述管壳内，所述激光芯片用于发射激光，所述热沉用于对所述激光芯片进行散热；
7.光学系统，设置于所述管壳内，用于将所述激光进行反射和准直处理后射出所述管壳；
8.其中，所述光学系统包括一体结构的反射组件和准直组件，
9.所述反射组件包括一反射面，所述准直组件包括一入射面和出射面，所述激光芯片与所述反射组件的反射面相对设置，以使得所述激光能够经所述反射面反射至所述准直组件的入射面，进而经过所述准直组件进行准直处理后，再经所述准直组件的述出射面射出。
10.其中，所述反射面和所述入射面连接且夹角为一预设角度，所述预设角度大于0
°
且小于或者等于90
°
。
11.其中，所述入射面位于所述准直组件一侧，且与所述反射组件相对；所述准直组件具有位于与所述入射面相背的另一侧的出射面；所述入射面为平面，所述出射面为非球面的曲面。
12.其中，所述出射面的曲面形状配置为：
[0013][0014]
其中，cx和cy分别为所述出射面在x、y方向上的曲率半径倒数，kx和ky分别为所述出射面在x、y方向上的圆锥系数，a、b分别为所述出射面的对称系数和非对称系数。
[0015]
其中，所述入射面和所述出射面均覆盖有增透膜。
[0016]
其中，所述管壳包括：
[0017]
基座，用于安装所述发光模组和所述光学系统；
[0018]
管壳壳体，形成有容置空间，且罩设于所述基座，进而使得所述发光模组和光学系统位于所述容置空间内；
[0019]
所述管壳壳体在所述出光面上设置有光窗，所述光窗盖设于所述管壳壳体与所述基座相对的一侧，以盖合所述容置空间，用于将所述出射面射出的所述激光透射至外部。
[0020]
其中，所述反射组件设置于所述基座，所述激光芯片的出光面与所述反射面间隔设置，且所述激光芯片的出光面在所述基座上的投影位于所述入射面在所述基座上的投影内，且所述激光芯片的出光面在所述基座上的投影位于所述反射面在所述基座上的投影外。
[0021]
其中，所述热沉设置于所述基座，一个或多个所述激光芯片安装于所述热沉上，所述热沉与所述反射组件间隔设置。
[0022]
其中，所述发光模组与光学系统分别一一对应设置，或所述发光模组与光学系统一对多设置。
[0023]
其中，所述半导体激光器还包括引脚，所述引脚的一端伸入所述容置空间内，邻近所述热沉设置，且耦接所述激光芯片，所述引脚的另一端伸出所述容置空间外，用于与外部电耦接；和/或，
[0024]
所述光窗材质为玻璃，且所述光窗与所述出射面相对的两侧面上均镀有增透膜。
[0025]
本技术的半导体激光器的有益效果：通过设置光学系统，包括集成为一体结构的反射组件与准直组件，在将光学系统封装于管壳内时，无需对反射组件和准直组件之间的位置和结构关系进行调整和校准，相对于相互独立的反射透镜和准直透镜的封装而言，能够减少由于两者的位置和结构关系调试所导致误差，而且也能够降低调试的过程复杂度，便于封装时透镜的安装和定位，简化封装结构，减少封装过程中的工序，提高半导体激光器和光学系统的集成度和可靠性。
附图说明
[0026]
为更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1是本技术半导体激光器实施例一的结构示意图；
[0028]
图2是本技术半导体激光器实施例二的结构示意图；
[0029]
图3是光学系统的结构示意图；
[0030]
图4是本技术半导体激光器封装方法的流程图。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0032]
本技术中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0033]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0034]
本技术的半导体激光器包括管壳1、多个发光模组和光学系统3。管壳1的一端为出光面，发光模组出射的光线在管壳1内进行反射和准直后，经出光面射出，出光面位于半导体激光器的出光光路上。其中每个发光模组均包括激光芯片2和热沉4，激光芯片2和热沉4均设置于管壳1内，激光芯片2用于发射激光，热沉4用于对激光芯片2进行散热。光学系统3设置于管壳1内，且位于激光芯片的出射光光路上，用于将激光进行反射和准直处理后射出管壳1。其中，光学系统3包括集成为一体结构的反射组件31和准直组件32，请参阅图3，图3为光学系统3的结构示意图，反射组件31和准直组件32连接，且反射组件31的反射面10与准直组件32的入射面20之间形成第一空间100，激光芯片2与第一空间100相对设置，以使得激光能够射入第一空间100并在第一空间100内经反射面10反射至入射面20，进而经准直组件32进行准直处理后射出管壳1。
[0035]
本实施例中管壳1用于承载和容纳激光芯片2和光学系统3，激光芯片2用于发射激光至光学系统3的反射组件31，经反射组件31反射至准直组件32，经准直组件32准直后射出。为便于安装和定位，本技术的光学系统3将反射组件31和准直组件32集成为一体，反射组件31和准直组件32一体成型，减少了光学系统3的安装工序，简化了封装结构。可选的是，反射组件31和准直组件32也可以为分离设置，使用时在将两者组合为一体。反射组件31和准直组件32的结构设计可以为两者之间形成锐角，该锐角所对应的间隙为第一空间100，激光芯片2设置于与第一空间100相对的一侧，激光芯片2发出的激光经第一空间100至反射组件31的反射面10上，经反射面10反射至第一空间100内，再射入准直组件32的入射面20。激光从发射至射入至准直组件32的整个过程中，激光的光路均位于第一空间100内，减少了激光在光路改变过程中的损耗，提高激光出光效率。
[0036]
本实施例中的光学系统3可以使用玻璃材质，如石英、蓝宝石或者塑料玻璃如亚克力制作，加工工艺可以采用冷加工、组装或者压模制造。
[0037]
本实施例中的反射面10和入射面20连接且夹角为一预设角度，进而形成第一空间100，预设角度大于0
°
且小于或者等于90
°
。可选的是，预设角度可以大于20
°
，且小于或者等于70
°
。可选的是，预设角度可以大于或等于30
°
，且小于或者等于60
°
。可选的是，预设角度可以大于或等于45
°
，且小于或者等于55
°
。激光从激光芯片2内发出后，经第一空间100至反射面10，再经反射面10反射至入射面20，在此过程中激光的光路均位于第一空间100内。将反射面10和入射面20相对设置，且两者的夹角可以为锐角，可以减少激光的传播距离，缩短
激光反射至准直组件32的光路，减少激光传播过程中的损耗。
[0038]
本实施例中的入射面20位于准直组件32一侧，且与反射组件31相对，接收经反射组件31反射的激光。准直组件32具有位于与入射面20相背的另一侧的出射面30。入射面20为平面，出射面30为非球面的曲面。
[0039]
本实施例中的出射面30的曲面形状可以配置为：
[0040][0041]
其中，cx和cy分别为出射面30在x、y方向上的曲率半径倒数，kx和ky分别为出射面30在x、y方向上的圆锥系数，a、b分别为出射面30的对称系数和非对称系数。以入射面20的平面为基准，x方向为平行于入射面20的方向，y方向为垂直于入射面20的方向。通常情况下将半导体激光器的快轴发散角设置的较大，慢轴发散角设置的较小，通过采用该非球面曲面的透镜，能够在最小的光学元件尺寸下最大程度地压缩出射光的快轴和慢轴两个方向的发散角，使出射激光达到准直的要求，同时最大程度地降低封装尺寸。
[0042]
本实施例中的入射面20和出射面30均覆盖有增透膜，增透膜可以减少甚至消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光，使从准直组件32透出的激光更加准直，增加出光效率。
[0043]
本实施例中的管壳1包括基座11和管壳壳体12，基座11用于安装发光模组2和光学系统3。管壳壳体12形成有容置空间，且罩设于基座11，进而使得发光模组和光学系统3位于容置空间内。管壳壳体12在出光面上设置有光窗13，光窗13盖设于管壳壳体12与基座11相对的一侧，以盖合容置空间，光窗13与准直组件32的出射面30相对，用于将出射面30射出的激光透射至外部。基座11可以采用cu、cuw、aln等高导热材料，从而实现气密性封装和热量传递，便于将激光芯片2散发的热量传导至外部，避免激光芯片2持续工作时过热损坏。光学系统3可以通过uv胶、金胶、银胶粘接或钎焊等方式固定于基座11上。
[0044]
本实施例中热沉4设置于基座11上，一个或多个激光芯片2安装于热沉4上，热沉4与反射组件31间隔设置。热沉4设于激光芯片2底部，且与光学系统3相对设置，用于传递激光芯片2的热能，冷却激光芯片2，避免激光芯片2过热。本实施例中一个热沉4上可以安装一个或多个激光芯片2，适用于不同的使用需求。发光模组与光学系统3也可以设置为一一对应，也可以设置为一对多设置，例如设置一个发光模组对应多个光学系统3，或设置一个光学系统3对应多个发光模组。
[0045]
本实施例中的半导体激光器还包括引脚5，引脚5的一端伸入容置空间内，邻近热沉4设置，且耦接激光芯片2，引脚5的另一端伸出容置空间外，用于与外部电耦接。将热沉4布置于靠近引脚5的位置，便于与外界空气热交换，增强对激光芯片2的散热效果。
[0046]
为便于说明，本技术提供实施例一和实施例二对半导体激光器的结构分别进行说明，请参阅图1，图1为本技术半导体激光器实施例一的示意图。实施例一为管壳类激光器，包括基座11、管壳壳体12和光窗13，引脚5设置于管壳壳体12的侧部。本实施例中的管壳壳体12的形状为中空四边形棱柱，光窗13的形状为长方体，光窗13的长宽与管壳壳体12的外部尺寸相适配。本实施例中的发光模组和光学系统3设置为四组，均布置于管壳壳体12内，基座11和光窗13分别对激光器的上下进行封装。激光芯片2发出的激光经过光学系统3的反
射和准直后，从光窗13射出准直激光，之后进入后端应用。采用该封装结构，能够精准地对激光进行光路改变和准直矫正，并且整个结构简单、尺寸较小，能够极大地简化封装工序和减小封装尺寸，整个激光器模组更加紧凑，提高封装效率、出光效率和产品可靠性。
[0047]
在本实施例中，发光模组和光学系统3的布置方式可以有多种。在一实施例中，多个发光模组和多个光学系统3平行排布，多个发光模组的热沉4连接为一体，即多个发光模组共用同一热沉4，多个激光芯片2设置在同一热沉4上，从而实现一个发光模组对应多个光学系统3的技术效果，由此进一步简化发光模组的结构和发光模组在安装时的工艺和步骤。
[0048]
在另一实施例中，设置一个光学系统3和多个发光模组，多个发光模组平行排布，且均与该光学系统3对应，即实现多个发光模组通过一个光学系统3进行光反射和准直，多个发光模组共用一个光学系统3。
[0049]
在再一实施例中，光学系统3和发光模组一一对应，可以将多组光学系统3和发光模组的排布设置为相互平行，也可以将多组光学系统3和发光模组的排布方式设置为部分平行，另一部分与其它部分垂直的排布方式，例如使四组光学系统3和发光模组分别平行于管壳1的四个边缘排布。当然也可以将多组光学系统3和发光模组环形排布，可以根据实际的需求进行设置。
[0050]
请参阅图2，图2为本技术半导体激光器实施例二的示意图。实施例二为to类管壳激光器，包括基座11和管壳壳体12，管壳壳体12对应光学系统的出光路径上设置有光窗13，引脚5从基座11内引出。相对于传统的to类封装，该封装结构去掉了管座上的导热管舌，激光芯片2水平固定于基座11上。通过以上设计，能够极大地减少激光芯片2的导热传输路径，极大地降低芯片工作时温度，提高芯片的工作寿命。另外，激光芯片2采用水平布置于基座11上的安装方式，引脚5采取折弯方式，从半导体激光器内折弯后引出，一端固定于基座11上，在模具连接和焊线时只需固定位于半导体激光器外部的一端，也能极大地简化管座模具连接和焊线时固定夹具的过程，提高固定准确性，降低模具连接和焊线的难度，并提高工艺水准。除此之外，由于本身出射光已经经过准直，无需在外加准直光学元件，可以减少整个系统的尺寸，更加紧凑。
[0051]
本实施例中的管壳壳体12的形状为中空圆柱体，光窗13的形状为圆柱体，且光窗13的外径与管壳壳体12截面的内径尺寸相等，使光窗13可以放置于管壳壳体12的中部空间内，光窗13正对光学系统的出光路径，经过准直的激光经光窗13射出。发光模组和光学系统3设置于管壳壳体12中空部分的下部。
[0052]
在本实施例中，发光模组和光学系统3的布置方式可以有多种。在一实施例中，多个发光模组和多个光学系统3平行排布，多个发光模组的热沉4连接为一体，即多个发光模组共用同一热沉4，多个激光芯片2设置在同一热沉4上，从而实现一个发光模组对应多个光学系统3的技术效果，由此进一步简化发光模组的结构和发光模组在安装时的工艺和步骤。
[0053]
在另一实施例中，设置一个光学系统3和多个发光模组，多个发光模组平行排布，且均与该光学系统3对应，即实现多个发光模组通过一个光学系统3进行光反射和准直，多个发光模组共用一个光学系统3。
[0054]
在再一实施例中，光学系统3和发光模组一一对应，可以将多组光学系统3和发光模组的排布设置为相互平行，也可以将多组光学系统3和发光模组的排布方式设置为部分平行，另一部分与其它部分垂直的排布方式，例如使四组光学系统3和发光模组分别平行于
管壳1的四个边缘排布。
[0055]
在再一实施例中，多组光学系统3和发光模组环形排布，例如设置4组或8组光学系统3和发光模组，将多组光学系统3和发光模组绕管壳壳体12的中心线均匀排布。本实施例中的反射组件31设置于基座11，激光芯片2的出光面与反射面10间隔设置，且激光芯片2的出光面在基座11上的投影位于入射面20在基座11上的投影内，且激光芯片2的出光面在基座11上的投影位于反射面10在基座11上的投影外。上述设置可以使激光芯片2射出的激光经过较短的光路即可到达准直组件32，减少激光的传播距离，减少激光在传播过程中的损耗，提高激光出光效率。
[0056]
本实施例中的光窗13材质为玻璃，且光窗13与出射面30相对的两侧面上均镀有增透膜。光窗13用于供经过准直的激光从激光器内射出，在光窗13的两侧面上设置增透膜可以减少甚至消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光，使从准直组件32透出的激光更加准直，增加出光效率。
[0057]
本技术还提供一种半导体激光器的封装方法，如图4所示，图4为半导体激光器封装方法的流程图，封装方法包括如下步骤：首先将激光芯片2、光学系统3、热沉4固定在管壳1的预设位置上。固定方式为，将管壳1固定，例如可以固定于贴片机上，在管壳1的预设安装位置处点胶或设置焊锡片等粘接材料，将激光芯片2、光学系统3、热沉4粘接于管壳1上。粘接之后，如有必要可以对激光芯片2、光学系统3、热沉4进行位置校准，使上述各部件均精确的粘贴于预设位置。
[0058]
其次将激光芯片2的正负极与引脚5连接，连接方式为通过焊线的方式。
[0059]
最后将光窗13与管壳1封装，封装方式为通过钎焊、平行缝焊、玻璃熔封等。
[0060]
使用本技术的半导体激光器，通过将反射棱镜与准直透镜集成，便于封装时透镜的安装和定位，简化封装结构，减少封装过程中的工序，提高系统的集成度和可靠性。
[0061]
以上仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。