一种半导体激光器阵列控制系统及其工作方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体激光器阵列控制系统及其工作方法。


背景技术：

2.由于半导体激光器具有波长范围宽、效率高、结构紧凑等特性而被广泛应用，半导体激光器常用于固体激光器、碱金属激光器等激光器的泵浦，也可用于光栅外腔光谱合束的直接半导体激光系统。然而传统的半导体激光器的光束质量与光谱特性差，直接输出功率和亮度低。为了丰富半导体激光器泵浦尤其是碱金属激光器泵浦等方面的应用，要求半导体激光器输出光束具有窄线宽的特点。半导体激光器阵列在外腔锁定时，常需要先进行快轴方向准直，且在快轴方向准直后的光路上设置反馈结构，在锁定效果通过光谱仪进行观察和监测。但是半导体激光器阵列由于封装应力等原因存在smile效应，即阵列条上的发光点在光学近场质心位置彼此之间具有垂直偏移，发光点的垂直位置的相对偏移导致光束经过快轴准直透镜（fac）准直之后快轴（fa）方向光束的指向偏差，造成准直后剩余发散角偏大，聚焦光斑偏大影响泵浦光的能量密度，特别是在碱金属激光器泵浦中，不仅要求具有较高的能量密度，而且还需要半导体激光器的输出光束具有窄线宽，线宽压窄的特点，常用体布拉格光栅（vbg）充当反射腔镜与高功率半导体激光器组成外腔半导体激光器，而作为外腔反射镜的vbg存在角度选择特性，当发光点光束不能垂直入射到vbg时，反馈光就不能返回到腔面而导致发光点失锁，因此阵列中各发光点会由于存在smile效应而造成不能同时锁定，因此最终光谱仪监测的输出光谱存在旁瓣，造成泵浦效率下降，而在光栅外腔半导体激光器合束中，则会由于阵列发光点不能全部锁定造成合束光束质量差，耦合效率差，并产生大量废热。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于解决现有技术中半导体激光器阵列在外腔锁定的应用中出现部分失锁的问题，从而提供一种半导体激光器阵列控制系统及其工作方法。
4.本发明提供一种半导体激光器阵列控制系统，包括：热沉；半导体激光器阵列，位于所述热沉上，所述半导体激光器阵列包括依次排布的第一发光芯片至第d发光芯片，d为大于等于2的整数；焊料层，位于半导体激光器阵列和所述热沉之间；施压装置，位于所述半导体激光器阵列背离所述热沉的一侧；近场成像透镜、图像传感器和快轴准直透镜，所述快轴准直透镜位于所述半导体激光器阵列和所述近场成像透镜之间，所述近场成像透镜适于将第一发光芯片至第d发光芯片分别发出的光传输在所述图像传感器上，以使图像传感器显示近场光斑图像，所述近场光斑图像包括第一发光区至第d发光区，第j发光区对应第j发光芯片，j为大于等于1且小于等于d的整数；施压判断单元，所述施压判断单元适于从第一发光区至第d发光区中获取特征发光区，并根据所述特征发光区从第一发光芯片至第d发光
芯片中获取需要施加的特征发光芯片，所述特征发光区具有极大值质心；反馈结构，所述反馈结构适于在所述焊料层进行封装回流过程中采用所述施压装置对所述特征发光芯片施压，直至任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离小于阈值，j1为大于等于1且小于等于d的整数，j2为大于等于1且小于等于d的整数，且j1不等于j2。
5.可选的，所述施压装置还包括：第一施压件至第m施压件，第m施压件适于给第d1发光芯片至第d2发光芯片施压，m为大于等于1且小于等于m的整数，d1为大于等于1且小于等于d的整数，d2为大于等于1且小于等于d的整数，m为大于等于2的整数且小于等于d的整数，且d2大于d1。
6.可选的，所述近场成像透镜包括第一成像透镜和第二成像透镜，所述第一成像透镜与所述快轴准直透镜适于共同在快轴呈近场像，所述第二成像透镜与所述第一成像透镜适于共同在慢轴呈近场像。
7.可选的，所述第一成像透镜为圆透镜，所述第二成像透镜为柱透镜。
8.可选的，所述图像传感器包括ccd相机。
9.可选的，还包括：光衰减片，所述光衰减片位于所述快轴准直透镜至所述图像传感器之间的光路中。
10.可选的，还包括：导电压块，所述导电压块位于所述半导体激光器阵列背离所述热沉的一侧；所述导电压块中具有贯穿所述导电压块的若干开口；所述第一施压件至第m施压件分别穿过所述开口。
11.根据以上所述的半导体激光器阵列控制系统本发明还提供一种半导体激光器阵列控制系统的工作方法，包括：所述近场成像透镜将第一发光芯片至第d发光芯片分别发出的光传输在所述图像传感器上，以使图像传感器显示近场光斑图像，所述近场光斑图像包括第一发光区至第d发光区；所述施压判断单元从第一发光区至第d发光区中获取特征发光区，并根据所述特征发光区从第一发光芯片至第d发光芯片中获取需要施加的特征发光芯片，所述特征发光区具有极大值质心；在对所述焊料层进行封装回流过程中，所述反馈结构采用施压装置对特征发光芯片施压，直至任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离小于阈值，j1大于等于1且小于等于d的整数，j2为大于等于1且小于等于d的整数，且j1不等于j2。
12.可选的，还包括：在对所述焊料层进行封装回流过程中，给所述半导体激光器阵列施加间断性电流，所述间断性电流用于使所述半导体激光器阵列阶段性发光。
13.可选的，根据第j1发光区的质心的纵坐标d
j1
、第j2发光区的质心的纵坐标d
j2
、快轴准直透镜的焦距f
fac
、近场成像透镜的快轴焦距f
a
以及近场光斑图像上每个像素的纵向尺寸h，获取第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离smile（j1，j2）：smile(j1,j2)=h*|d
j1
‑ꢀ
d
j2
|*f
fac
/f
a
。
14.可选的，所述阈值为1μm。
15.可选的，所述封装回流过程包括升温过程、升温过程之后的保温过程及保温之后的降温过程；所述施压装置在所述升温过程和所述保温过程中对特征发光芯片施压，直至所述任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离小于阈值；当所述任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离小于阈值后，进行所述降温过程以使所述焊料层凝固。
16.本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明技术方案中的半导体激光器阵列控制系统的工作方法，所述近场成像透镜将第一发光芯片至第d发光芯片分别发出的光传输在所述图像传感器上，以使图像传感器显示近场光斑图像，所述近场光斑图像包括第一发光区至第d发光区；所述施压判断单元从第一发光区至第d发光区中获取特征发光区并根据所述特征发光区获取需要施加的特征发光芯片，所述特征发光区具有极大值质心；在对所述焊料层进行封装回流过程中，所述反馈结构采用施压装置对特征发光芯片施压，直至任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离小于阈值，从而对第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离进行控制，有利于减小半导体激光器阵列在封装过程中由于应力等因素造成的阵列中发光芯片在光学近场质心位置彼此之间的垂直偏移，有利于获得更好的光束质量和更高的耦合效率，有利于避免半导体激光器阵列在外腔锁定的应用中出现部分失锁问题。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于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。
18.图1为本发明提供的一种半导体激光器阵列控制系统的结构示意图；图2为本发明提供的一种半导体激光器阵列控制系统的部分结构示意图；图3、图4和图5为未使用本发明提供的半导体激光器阵列控制系统的施压装置的成像图；图6为使用本发明提供的半导体激光器阵列控制系统的成像图；图7为本发明提供的一种半导体激光器阵列控制系统工作方法的流程图。
具体实施方式
19.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构
成冲突就可以相互结合。
23.本发明提供一种半导体激光器阵列控制系统，请参考图1，包括：热沉1；半导体激光器阵列2，位于所述热沉1上；所述半导体激光器阵列2包括依次排布的第一发光芯片至第d发光芯片，d为大于等于2的整数；焊料层（未图示），位于所述半导体激光器阵列2和所述热沉1之间；施压装置3，位于所述半导体激光器阵列背离所述热沉的一侧；近场成像透镜4、图像传感器5和快轴准直透镜6，所述快轴准直透镜6位于所述半导体激光器阵列2和所述近场成像透镜4之间，所述近场成像透镜4适于将第一发光芯片至第d发光芯片分别发出的至少部分光传输在所述图像传感器5上，以使所述图像传感器5显示近场光斑图像，所述近场光斑图像包括第一发光区至第d发光区，第j发光区对应第j发光芯片，j为大于等于1且小于等于d的整数；施压判断单元7，所述施压判断单元7适于从第一发光区至第d发光区中获取特征发光区并根据所述特征发光区获取需要施加的特征发光芯片，所述特征发光区具有极大值质心；反馈结构，所述反馈结构适于在焊料层进行封装回流过程中采用施压装置3对特征发光芯片施压，直至任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离小于阈值，j1为大于等于1且小于等于d的整数，j2为大于等于1且小于等于d的整数，且j1不等于j2。
24.具体的，所述半导体激光器阵列2对位放置在所述热沉1上，所述半导体激光器阵列2的正极向下与所述焊料层接触。
25.所述半导体激光器阵列2发出的光束到达所述快轴准直透镜6并在所述快轴准直透镜6的快轴方向被准直。
26.所述焊料层用于将所述热沉1与所述半导体激光器阵列2焊接。
27.本实施例中，所述施压装置3还包括：第一施压件至第m施压件，第m施压件适于给第d1发光芯片至第d2发光芯片施压，m为大于等于1且小于等于m的整数，d1为大于等于1且小于等于d的整数，d2为大于等于1且小于等于d的整数，m为大于等于2的整数且小于等于d的整数，且d2大于d1。
28.在一个实施例中，d2与d1的差值小于或等于4，如3、2或1。好处在于：若d2与d1的差值过大，则在施压时带动附近的发光芯片过多不利于控制；若d2与d1的差值过小，则需要的施压件的尺寸会很小，加大制作工艺难度。
29.本实施例中，所述近场成像透镜4包括第一成像透镜和第二成像透镜，所述第一成像透镜与所述快轴准直透镜6适于共同在快轴呈近场像，所述第二成像透镜与所述第一成像透镜适于共同在慢轴呈近场像。在一个实施例中，所述第一成像透镜为圆透镜，所述第二成像透镜为柱透镜。所述第二成像透镜位于所述第一成像透镜和所述图像传感器5之间。
30.所述图像传感器5包括ccd相机。
31.所述半导体激光器阵列控制系统还包括：光衰减片8，所述光衰减片8位于所述快轴准直透镜6至所述图像传感器5之间的光路中。
32.本实施例中，所述光衰减片8位于所述近场成像透镜4和所述快轴准直透镜6之间的光路中。
33.在其他实施例中，所述光衰减片8还可位于所述近场成像透镜4和所述图像传感器5之间的光路中。
34.所述光衰减片8用于衰减所述半导体激光器阵列2的强光，避免高强激光直接入射所述图像传感器5，造成所述图像传感器5受损。
35.具体的，所述快轴准直透镜6出射的光束经过所述光衰减片8达到所述近场成像透镜4并经过所述近场成像透镜4在所述图像传感器5成阵列的近场光斑图像。
36.所述半导体激光器阵列控制系统还包括：导电压块9，所述导电压块9位于所述半导体激光器阵列2背离所述热沉1的一侧；所述导电压块9中具有贯穿所述导电压块9的若干开口；所述第一施压件至第m施压件分别穿过所述开口。
37.具体的，所述导电压块9与所述半导体激光器阵列2的负极接触，所述导电压块9具有一定的重量同时也要求具有较高的平整度，所述导电压块9对所述半导体激光器阵列2施加压力，压力使所述半导体激光器阵列2的正极与所述焊料层接触从而与所述热沉1电导通，同时该压力也能够将所述半导体激光器阵列2初步压平整。
38.所述导电压块9分别和第一施压件至第m施压件间隔设置。
39.对于第一施压件至第m施压件，第m施压件包括第m施压件主体和第m施压件顶板，第m施压件主体位于导电压块9的开口中，第m施压件顶板位于导电压块9上且与第m施压件主体固定连接。
40.本实施例中，所述半导体激光器阵列控制系统可有效提升半导体激光器阵列在作为泵源时的功率密度、使半导体激光器阵列进行外腔锁定时能够实现全发光点的锁定，有利于控制半导体激光器光谱，扩展半导体激光器阵列的应用。
41.本发明还提供一种半导体激光器阵列控制系统的工作方法，采用上述实施例的半导体激光器阵列控制系统，参考图7，工作方法包括：步骤s1：所述近场成像透镜将第一发光芯片至第d发光芯片分别发出的光传输在所述图像传感器上，以使图像传感器显示近场光斑图像，所述近场光斑图像包括第一发光区至第d发光区；步骤s2：所述施压判断单元从第一发光区至第d发光区中获取特征发光区，并根据所述特征发光区从第一发光芯片至第d发光芯片中获取需要施加的特征发光芯片，所述特征发光区具有极大值质心；步骤s3：在对所述焊料层进行封装回流过程中，所述反馈结构采用施压装置对特征发光芯片施压，直至任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离小于阈值，j1为大于等于1且小于等于d的整数，j2为大于等于1且小于等于d的整数，且j1不等于j2。
42.在步骤s1中，具体的，第一发光芯片至第d发光芯片分别发出的光经过所述快轴准直透镜6，所述快轴准直透镜6对第一发光芯片至第d发光芯片发出的光在所述快轴方向进行准直，所述快轴准直透镜6准直之后的光经过所述近场成像透镜4进入所述图像传感器5。当设置所述衰减片8时，自所述快轴准直透镜6至所述图像传感器5的光路上的光经过所述衰减片8进行衰减，使得入射至所述图像传感器5的光强减弱，避免造成所述图像传感器5受损。
43.本实施例中，参考图3至图5，所述近场成像透镜4将第一发光芯片至第d发光芯片分别发出的光传输在所述图像传感器5上，以使图像传感器5显示近场光斑图像，所述近场
光斑图像包括第一发光区至第d发光区。以d等于19为示例，所述近场光斑图像包括第一发光区至第19发光区。在其他实施例中，还可以是d其他的数值，不做限制。
44.在步骤s2中，具体的，所述施压判断单元7获取第一发光区至第d发光区的质心，找到所述第一发光区的质心至第d发光区的质心中的极大值质心，第一发光区至第d发光区中具有极大值质心的发光区作为特征发光区，与特征发光区对应的发光芯片作为特征发光芯片。与特征发光区对应的发光芯片指的是：特征发光区发出的光在图像传感器上成像的区域为特征发光区。
45.在一个实施例中，参考图3，所述施压判断单元7获取第一发光区至第19发光区的质心，找到第一发光区和第19发光区具有极大值质心，第一发光区和第19发光区作为特征发光区，相应的，第一发光芯片和第19发光芯片为特征发光芯片。
46.在另一个实施例中，参考图4，所述施压判断单元7获取第一发光区至第19发光区的质心，找到第11发光区具有极大值质心，第11发光区作为特征发光区，相应的，第11发光芯片为特征发光芯片。
47.在另一个实施例中，参考图5，所述施压判断单元7获取第一发光区至第19发光区的质心，找到第一发光区和第15发光区具有极大值质心，第一发光区和第15发光区作为特征发光区，相应的，第一发光芯片和第15发光芯片为特征发光芯片。
48.在步骤s3中，在对所述焊料层进行封装回流过程中，所述反馈结构采用所述施压装置对特征发光芯片施压，在施压的过程中，监测图像传感器5中第一发光区至第d发光区的质心位置的变化，根据第一发光区至第d发光区域的质心位置的变化获取任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离的变化情况，直至任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离小于阈值。
49.对特征发光芯片施压，可以是仅对特征发光芯片施压；还可以是对特征发光芯片施压的同时带动特征发光芯片附近的发光芯片。
50.在一个实施例中，参考图3，在对所述焊料层进行封装回流过程中，所述反馈结构采用施压装置对第一发光芯片和第19发光芯片施压，在施压的过程中监测图像传感器5中第一发光区至第19发光区的质心位置的变化。
51.在一个实施例中，参考图4，在对所述焊料层进行封装回流过程中，所述反馈结构采用施压装置对第11发光芯片施压，在施压的过程中监测图像传感器5中第一发光区至第19发光区的质心位置的变化。
52.在一个实施例中，参考图5，在对所述焊料层进行封装回流过程中，所述反馈结构采用施压装置对第一发光芯片和第15发光芯片施压，在施压的过程中监测图像传感器5中第一发光区至第19发光区的质心位置的变化。
53.参考图6，图6为使用本发明提供的半导体激光器阵列控制系统的成像图。
54.所述半导体激光器阵列控制系统的工作方法还包括：在对所述焊料层进行封装回流过程中，给所述半导体激光器阵列2施加间断性电流，所述间断性电流用于使所述半导体激光器阵列2阶段性发光。
55.具体的，所述间断性电流可以使所述半导体激光器阵列2更好的散热，防止所述半导体激光器阵列2烧坏，所述间断性电流包括脉冲电流。
56.所述半导体激光器阵列控制系统的工作方法还包括：根据第j1发光区的质心的纵
坐标d
j1
、第j2发光区的质心的纵坐标d
j2
、快轴准直透镜的焦距f
fac
、近场成像透镜的快轴焦距f
a
以及近场光斑图像上每个像素的纵向尺寸h，获取第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离smile（j1，j2）：smile(j1,j2)=h*|d
j1
‑ꢀ
d
j2
|*f
fac
/f
a
。
57.在一个实施例中，所述阈值为1μm。在其他实施例中，所述阈值还可以为其他的数值，不做限制。
58.具体的，在施压过程中监测图像传感器5中任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离，直到任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离小于1μm。
59.所述半导体激光器阵列控制系统的工作方法还包括：所述封装回流过程包括升温过程、升温过程之后的保温过程及保温之后的降温过程；所述施压装置在所述升温过程和所述保温过程中对特征发光芯片施压直至所述任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离小于阈值；当所述任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离小于阈值后，进行所述降温过程使所述焊料层凝固。
60.具体的，将所述热沉1、半导体激光器阵列2、导电压块9及施压装置3放进回流焊炉中，升温使所述焊料层融化，融化后，所述半导体激光器阵列2与所述焊料层充分接触，直到通过近场光斑图像获取的任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离小于1μm后开始降温过程，在升温保温过程中，实时监测任意的第j1发光芯片和第j2发光芯片在快轴方向上的距离，反馈给所述施压装置3调整所述施压装置3的压力大小，实现反馈闭环调节，所述焊料层凝固后，所述半导体激光器阵列2与所述热沉1完成焊接。
61.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。