專(zhuān)利名稱(chēng)：微型固態(tài)激光模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)激光模塊，特別涉及一種微型固態(tài)激光模塊。
背景技術(shù)：
固態(tài)激光模塊(solid state laser module)為常見(jiàn)的一種光電裝置 (Photo—electronic/ Photonic Device), 其是利用；皮長(zhǎng)才灸器(wavelength conversion device,或稱(chēng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換晶體)以倍頻原理將一已知波長(zhǎng)的激光轉(zhuǎn)換成不 同波長(zhǎng)(入2)的激光，如藍(lán)光、綠光等可隨不同的需要而選擇使用；因此光電裝置 或激光才莫塊一般通稱(chēng)為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光電裝置 (Wavelength Conversion Photonic Device)。
一光電裝置如本案所指的固態(tài)激光模塊，其可選擇使用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的波長(zhǎng) 轉(zhuǎn)換器，而基本上每一種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換前激光(波長(zhǎng)人i)及轉(zhuǎn)換后激光(波長(zhǎng) 入2)之間存在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率(wavelength conversion efficiency from 入i to 入 2)，且當(dāng)轉(zhuǎn)才奐前激光的波長(zhǎng)入i必須匹配或吻合(coincident with)某一特定波長(zhǎng)時(shí) (所述特定波長(zhǎng)即稱(chēng)為最大轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)maximum conversion wavelength入c ),其 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率才可達(dá)到最大值，也就是達(dá)成最大波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率(maximum wavelength conversion efficiency)的最^f圭運(yùn)4乍^j大'態(tài)，而當(dāng)哞爭(zhēng)4灸前5款光的;;皮長(zhǎng)入丄未匹酉己或口勿 合(coincident with)其最大轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)人。時(shí)，如小于或大于所述最大轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)(入 c),其波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率即降低；然而， 一激光的轉(zhuǎn)換前的波長(zhǎng)(D或一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 器的最大轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)(入。)皆是隨其激光裝置或波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的溫度改變而變化，而環(huán) 境溫度又常會(huì)改變所述激光裝置及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的溫度，而且激光轉(zhuǎn)換前的波長(zhǎng)(入 J及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的最大轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)(人e)相對(duì)于溫度每度的溫度改變率(changing rate of temperature per temperature)是不同的，如假設(shè)在某一特定環(huán)境溫度下一激 光的轉(zhuǎn)換前波長(zhǎng)(D剛好相同于一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的最大轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)(Ae),而當(dāng)環(huán) 境溫度改變時(shí)如改變(一般是升高)至另一溫度，上述激光的轉(zhuǎn)換前波長(zhǎng)(D與 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的最大轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)(入。)即因不同變化程度(即不同改變率)而不再相同，即波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率會(huì)降低(degraded),使波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換光電裝置如本案的固態(tài)激光模塊向 外投射的激光，即轉(zhuǎn)換后激光(波長(zhǎng)入2)無(wú)法達(dá)成預(yù)期的亮度；因此，針對(duì)一波長(zhǎng) 轉(zhuǎn)換光電裝置如本案的固態(tài)激光模塊的使用而言，當(dāng)環(huán)境溫度改變致波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率 相對(duì)降低時(shí)，此時(shí)調(diào)控固態(tài)激光模塊以達(dá)成并維持在最大波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率，也就是回 饋監(jiān)控以增進(jìn)固態(tài)激光模塊向外投射的激光的亮度，是有其需要性及必要性的。
傳統(tǒng)式的固態(tài)激光包含各種不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如二才及管泵固態(tài)(diode pumped solid state,簡(jiǎn)稱(chēng)DPSS)激光，但大都有體積大(bulky)、須加外部聲光調(diào)變器 (external acoustic optical modulator )、 低轉(zhuǎn)換效率(low conversion efficiency)、 無(wú)溫度4卜4嘗才幾制(no temperature compensation mechanism)及高能 量耗損(large energy consumption)的缺點(diǎn)，如US 4, 731, 795是采用同軸式的方 式來(lái)做組裝，其整組激光模塊的體積相當(dāng)大，且組裝方式較不易利用類(lèi)式半導(dǎo)體封 裝方式大量生產(chǎn)，且采用所述方式無(wú)法^L直接回饋監(jiān)控，故所述固態(tài)激光;f莫塊對(duì)于 輸出功率的穩(wěn)定性較低。US 5, 440, 574與上述US 4, 731795類(lèi)式之間的差別在于構(gòu) 裝的結(jié)構(gòu)有些不同，且不同點(diǎn)在于激光到非線(xiàn)性晶體的耦合鏡片上的的差異。US 5, 187， 714是須配合特殊的封裝外殼，在平面構(gòu)裝完成后只能從側(cè)面發(fā)光，無(wú)法垂直 射出，且無(wú)法做直接回饋監(jiān)控，對(duì)于輸出功率的穩(wěn)定性較低。US 6, 778, 582揭示利用 面射型激光(VCSEL)并疊上非線(xiàn)性晶體(nonlinear crystal)最后再疊上一個(gè)反射 4fe,而上述結(jié)構(gòu)是放置在一散熱基座(heat sink)上，其封裝結(jié)構(gòu)是釆用垂直方向 的堆疊技術(shù)，而其架構(gòu)原理是利用近紅外的面射型激光，如1064nm的波長(zhǎng)的光， 經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性晶體(倍頻晶體)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生532nra的綠光，再經(jīng)過(guò)外部的反射鏡及面射型 激光的頂面共振放大以產(chǎn)生綠光。Pub. No. US 2008 / 0002745 Al揭示利用非投 影區(qū)來(lái)做轉(zhuǎn)換后光源波長(zhǎng)補(bǔ)償，即利用非投影區(qū)地方來(lái)監(jiān)控輸出光(轉(zhuǎn)換后光源)功 率的穩(wěn)定性，其補(bǔ)償架構(gòu)是利用經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器(wavelength converter)之后的光 再利用分光鏡將部分的光讀取到檢測(cè)器(detector),而利用檢測(cè)器所檢測(cè)的電流值 來(lái)判斷DBR激光的中心波長(zhǎng)及非線(xiàn)性晶體中心波長(zhǎng)是否有匹配，當(dāng)檢測(cè)器所檢測(cè)的 電流值變小時(shí)表示DBR激光的中心波長(zhǎng)及非線(xiàn)性晶體中心波長(zhǎng)沒(méi)有匹配，此時(shí)回饋 電路將會(huì)啟動(dòng)(利用非投影區(qū)動(dòng)作)調(diào)整DBR激光phase section的電流值進(jìn)而調(diào)整 DBR激光的中心波長(zhǎng)，以達(dá)到輸出光(轉(zhuǎn)換后光源)功率的穩(wěn)定效果。美國(guó)康寧/>司 (Corning Inc.)的論文 'Wavelength Matching and Tuning in Green Laser Packaging using Second Harmonic Generation' 是利用近鄉(xiāng)工夕卜ilt光二才及管(DBR laser)發(fā)出波長(zhǎng)1064nm激光，并利用聚光鏡片將激光射入非線(xiàn)性晶體(波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器)
6中以使106化m激光轉(zhuǎn)換成532nm的綠光，其架構(gòu)是分別在激光二極管(DBR laser) 及非線(xiàn)性晶體(波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器)下方設(shè)置一溫度控制器及溫度感測(cè)器，然此架構(gòu)無(wú)法即 時(shí)去做激光二極管(DBR laser)及非線(xiàn)性晶體(波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器)中心波長(zhǎng)的最佳化匹 配，只能利用量測(cè)所得的溫度去做假設(shè)激光二極管(DBR laser)及非線(xiàn)性晶體(波長(zhǎng) 轉(zhuǎn)換器)兩個(gè)中心波長(zhǎng)的匹配，即調(diào)整激光二極管(DBR laser)及非線(xiàn)性晶體(波長(zhǎng) 轉(zhuǎn)換器)的溫度，以讓個(gè)別的中心波長(zhǎng)移動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生失真的情況，也就是轉(zhuǎn)換 后的輸出光的功率將隨外在溫度而產(chǎn)生變化。
目前固態(tài)激光模塊的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，包含科學(xué)研究方面如材料特性量測(cè)、 科學(xué)用激發(fā)光源、太空遙測(cè)與資源探測(cè)等；國(guó)防工業(yè)方面如激光測(cè)距儀、激光追蹤 掃描系統(tǒng)、激光防衛(wèi)武器等；工業(yè)與民生方面如材料處理(如微機(jī)電系統(tǒng)MEMS加工、 電阻裝飾、晶片標(biāo)記)、水下攝影及海底探測(cè)、非破壞性檢測(cè)、半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)等； 醫(yī)療用途方面如眼科治療、皮膚治療、牙齒治療、牙科手術(shù)等。目前固態(tài)激光的產(chǎn) 值已位居所有激光^^莫塊排行的第四位，已經(jīng)深入到一般人的生活周?chē)?。又目前固態(tài) 激光都是以產(chǎn)生綠光及藍(lán)光為主。
(Periodically Poled Lithium Niobate，簡(jiǎn)稱(chēng)為PPLN)、釩酸鐘晶體(KTiOP04， 筒稱(chēng)為KTP) 、 LBO、 BBO、 ADP等晶體，其中，PPLN具有較高的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率(可 達(dá)到約50%);相對(duì)的下，KTP的轉(zhuǎn)換效率就低了許多(約5%~ 10%),但因KTP的轉(zhuǎn) 換效率對(duì)于外界溫度變化較不敏感，且元件價(jià)格相對(duì)PPLN低許多，故若采用KTP 為固態(tài)激光模塊的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，將對(duì)于性能要求不高的低價(jià)市場(chǎng)極具竟?fàn)幜Γ挥諯TP 為堆疊(Bulk)的型態(tài)，其光耦合口徑較大，易于激光的耦合；因此，本發(fā)明在此 提出一種簡(jiǎn)化的微型固態(tài)激光模塊架構(gòu)如一微型固態(tài)綠光激光模塊，而其封裝仍采 用TO-can封裝(TO-can packaging)模式，相較傳統(tǒng)的固態(tài)(綠光)激光模塊， 可望于模塊的體積、性能、產(chǎn)能與價(jià)格上，有壓倒性的竟?fàn)幜Α?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要目的在于提供一種微型固態(tài)激光模塊(compact solid state laser module)，其是利用一分光裝置如棱鏡(Prism)安排在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的后方用以將射 入的轉(zhuǎn)換后激光分成兩道光束， 一道光束垂直射出為主要輸出光源，另一道光束穿 過(guò)分光裝置如棱鏡并入射至一光檢測(cè)器(PD)上，以使固態(tài)激光、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器(非線(xiàn) 性晶體)、分光裝置如一棱鏡及光檢測(cè)器等所有元件可封裝在一平面上處理而利于封裝在一較小的TO-can封裝(TO-can packaging)中，且最終的輸出光源又可垂
對(duì)輸出光源進(jìn)行回饋補(bǔ)償及修正，以增進(jìn)激光模塊的使用效率且優(yōu)于傳統(tǒng)固態(tài)激光 模塊。
本發(fā)明再一 目的在于提供一種微型固態(tài)激光模塊，所述激光模塊是通過(guò)光檢測(cè) 器直接偵測(cè)經(jīng)所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換后激光以進(jìn)行補(bǔ)償修正，如利用邏輯電路以控 制提升或降低固態(tài)激光的驅(qū)動(dòng)電流，或通知固態(tài)激光所附設(shè)的溫度控制器以進(jìn)行溫 度控制，以達(dá)成直接式監(jiān)測(cè)效果，以有效降低回饋補(bǔ)償?shù)恼`差，而優(yōu)于傳統(tǒng)式的回
饋補(bǔ)償方式。
本發(fā)明又一 目的在于提供一種微型固態(tài)激光模塊，所述激光模塊進(jìn)一步可間接 采用額外的微光學(xué)元件(micro optics)以完成光耦合的需求，如采用光耦合鏡片 (coupling lens)或〉,直4免片酉己合聚傳、4免片(collimator lens + focusing lens) 的間接光耦合方式，以取代原來(lái)的直接光耦合方式，以大幅加大組裝定位精度的公 差而有利于量產(chǎn)化，且對(duì)于光能量的衰減相當(dāng)小(小于2%),不至于影響輸光激光 的功率，以避免因直接光耦合方式需要極高的組裝定位精度(約lum)致會(huì)挑戰(zhàn)組 裝用機(jī)臺(tái)的極限而相對(duì)降低組裝作業(yè)效率。
本發(fā)明另 一 目的在于提供一種微型固態(tài)激光模塊，所述激光模塊進(jìn)一步可配合 利用一直角棱鏡(right angle prism)以回折由固態(tài)激光至分光裝置之間的光路， 使本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊的主要元件及相配合使用的微光學(xué)元件可排列形成二 平行直列，以有效縮小本發(fā)明激光模塊的容置空間，以有利于封裝在一較小的 TO-can封裝中。
為達(dá)成上述目的，本發(fā)明的微型固態(tài)激光模塊主要利用一固態(tài)激光(solid state laser )、 一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器(或稱(chēng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換晶體，wavelength conversion device)、 一分光裝置如棱4竟(Prism)、及一光檢測(cè)器(photo detector,簡(jiǎn)稱(chēng) PD)等主要元件而依序設(shè)在一平面上構(gòu)成，其中，所述固態(tài)激光是用以發(fā)射激光并 入射至波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器；所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器是以倍頻原理將所述固態(tài)激光所發(fā)射的激光的 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成不同波長(zhǎng)的激光如綠光并入射至分光裝置如一棱鏡；所述分光裝置如一 棱鏡是安排在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器后方用以將射入的轉(zhuǎn)換后激光分成兩道光束，其中的第一 道光束是主光束可垂直所述設(shè)置平面而向外射出以成為主要輸出光源，其中的第二 道光束是穿過(guò)分光裝置如一棱鏡而入射至光檢測(cè)器；所述光檢測(cè)器是用以檢測(cè)第二 道光束的光功率；其中，利用所述分光裝置如棱鏡的安排使所有元件可封裝在一平面上處理，且有利于封裝在一較小的TO-can型式的封裝(TO-can packaging)中， 可有效減縮激光模塊的體積、增進(jìn)使用效率并簡(jiǎn)化組裝結(jié)構(gòu)，使本發(fā)明的微型固態(tài) 激光模塊在體積、性能、產(chǎn)能方面均優(yōu)于傳統(tǒng)固態(tài)激光模塊。
本發(fā)明進(jìn)一步通過(guò)所述光檢測(cè)器(PD)以直接偵測(cè)經(jīng)所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的 激光，并又由此作為回饋補(bǔ)償及修正的依據(jù)，如利用邏輯電路以控制提升或降低固 態(tài)激光的驅(qū)動(dòng)電流，或通知其附加的溫度控制器如致冷器(TE-cooler)以對(duì)固態(tài) 激光進(jìn)行降溫的控制(因激光模塊在使用時(shí)其溫度一般會(huì)升高)，以使所進(jìn)行回饋 補(bǔ)償?shù)恼`差為最小而遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)式的回饋方式。
本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊是利用所述的固態(tài)激光、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、分光裝置如一 棱鏡及光檢測(cè)器等主要元件依序設(shè)在一平面上構(gòu)成，其中，所述這些主要元件可在 平面上以直接光耦合方式排列形成一直列，以使其排列方式最為精簡(jiǎn)且所占空間也 為最小，以可容納在TO-5的構(gòu)裝中。
又鑒于上述的直接光耦合方式需要極高的組裝定位精度(約lum),致會(huì)挑戰(zhàn) 組裝用機(jī)臺(tái)的極限而相對(duì)降低組裝作業(yè)效率，因此本發(fā)明的激光模塊進(jìn)一步可間接 釆用額外的孩i光學(xué)元件(micro optics)以取代原來(lái)的直接光耦合方式，如采用光 耦合鏡片(coupling lens)的光耦合方式或準(zhǔn)直鏡片配合聚焦鏡片(collimator lens + focusing lens)的間接光耦合方式，以大幅加大組裝定位精度的公差而有 利于量產(chǎn)化，且對(duì)于光能量的衰減也相當(dāng)小(小于2%),不至影響輸光激光的功率。
又鑒于一 TO-Can的構(gòu)裝方式中其內(nèi)部可供容放元件的空間相當(dāng)有限，如以TO-5 而言其內(nèi)部可容放元件的面積約為5mm X 5mm,本發(fā)明的激光模塊進(jìn)一步可配合利 用一直角棱鏡(right angle prism)以回折由固態(tài)激光至分光裝置之間的光路， 如使用一光耦合鏡片與一直角棱鏡等微光學(xué)元件(micro optics),使固態(tài)激光所 述所發(fā)射的激光先射入一光耦合鏡片再入射至一直角棱鏡以產(chǎn)生180度回折，再射 入一光耦合鏡片及后續(xù)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器及分光裝置，使本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊的主 要元件及相配合使用的微光學(xué)元件可排列形成二平行直列，以有效縮小本發(fā)明激光 模塊的容置空間，以有利于封裝在一較小的TO-can封裝。
本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊的固態(tài)激光進(jìn)一步可設(shè)具一溫度控制器 (temperature control device)如電阻式致熱器(thermal resistor)或致冷器 (TE-cooler)用以控制固態(tài)激光的溫度，當(dāng)所述光檢測(cè)器(PD )直接偵測(cè)經(jīng)所述波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的激光并欲進(jìn)行回饋補(bǔ)償及修正時(shí)，即可通知所述溫度控制器進(jìn)行 溫度控制，并利用改變固態(tài)激光的溫度的方法以改變其所發(fā)射的激光波長(zhǎng)，以將激光的波長(zhǎng)調(diào)整至等于或趨近波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的最佳轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)，以提升激光模塊的波長(zhǎng)轉(zhuǎn) 換效率(conversion efficiency)而增進(jìn)其使用效率。至于本發(fā)明;徵型固態(tài)激光 模塊的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器則選擇對(duì)于外界溫度變化較不敏感的晶體如釩酸鉀晶體 (KTiOP04,簡(jiǎn)稱(chēng)為KTP),以使波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的最佳轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)維持于在固定值而不隨 外界溫度變化而相對(duì)變化，以可在對(duì)于性能要求不高的低價(jià)市場(chǎng)中具有竟?fàn)幜Α?br>

圖l是本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊的基本架構(gòu)(第一實(shí)施例)示意圖； 圖2是圖1的俯視示意圖3是本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊的第二實(shí)施例立體示意圖； ,圖4是一T0-Can封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部尺寸參考圖;.
圖5是本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊的第三實(shí)施例的一俯視示意圖； 圖6是本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊的第三實(shí)施例的另 一俯視示意圖； 圖7是本發(fā)明一微型固態(tài)激光模塊實(shí)施例實(shí)際封裝至T0-Can封裝結(jié)構(gòu)中的立 體示意圖8是圖7的俯視示意圖9是圖7的側(cè)視(附尺寸)示意圖。
附圖標(biāo)記說(shuō)明1、 2、 3-微型固態(tài)激光模塊；lO-固態(tài)激光；11-激光；12-第 一道光束；13-第二道光束；20a-非線(xiàn)性晶體；20b-倍頻晶體；21-入射端；22-出 射端；30-分光裝置；31-分光面；40-光檢測(cè)器(PD) ; 50-載板；51-平面；60-底 座；61-溫度控制器；70-微光學(xué)元件(Micro Optics); 71-準(zhǔn)直鏡片(collimator lens) ; 72-聚焦4竟片(focusing lens) ; 80—直角棱4竟(right angle prism); 90-TO-can去于裝結(jié)構(gòu)；91-TO-can 4竟片(TO-can lens); 92-TO-can蓋(TO-can cap); 93-TO-can承座(TO-can header); 94-T0-can電性連接部(electronic connection of TO-can)。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說(shuō)明。 參照?qǐng)D1、 2所示，其分別是本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊的基本架構(gòu)示意圖及其 俯視示意圖。本發(fā)明是一種微型固態(tài)激光模塊(solid state laser module) 1, 其由激光光源至最終向外投射的輸出激光依序包含下列主要元件 一固態(tài)激光(solid state laser ) 10、 一波長(zhǎng)4爭(zhēng)才灸器(或稱(chēng)波長(zhǎng)4令才灸晶體，wavelength conversion device) 20、 一分光裝置30如棱鏡(Prism)、及一光才企測(cè)器(photo detector,簡(jiǎn)稱(chēng)PD)40,而上述所述等主要元件是依序設(shè)在一平面上，如設(shè)在一硅 載板(Si substrate) 50的上表平面51上，或?qū)崃己玫妮d板的表平面上。
所述固態(tài)激光10可為一半導(dǎo)體激光(semiconductor laser)或二極管固態(tài) (diode pumped solid state, DPSS)激光，且可為單晶片激光(DFB, multi-section DBR laser)或一具有復(fù)數(shù)個(gè)光電裝置的模塊(如一半導(dǎo)體激光發(fā)出波長(zhǎng)A 。的光并經(jīng) 一固態(tài)晶體而產(chǎn)生波長(zhǎng)入i的激光)，如使用808激光二極管晶片(808 LDchip,即 可發(fā)射波長(zhǎng)S08nm的激光)，其是用以發(fā)射激光并入射至波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器20的入射端 21;又固態(tài)激光10可利用提升或降低其驅(qū)動(dòng)電流以控制改變其所發(fā)射的激光的波 長(zhǎng)；又固態(tài)激光10進(jìn)一步可設(shè)置在一底座(sub-mount) 60上，且所述底座60上 可i殳具一溫度控制器61如電阻式致熱器(thermal resistor)或致冷器(TE-cooler) 用以控制固態(tài)激光10的溫度，供可利用改變固態(tài)激光10的溫度的方法以改變固態(tài) 激光10所發(fā)射的激光的波長(zhǎng)。
所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器20可利用一非線(xiàn)性晶體20a與一倍頻晶體20b組成，所述非 線(xiàn)性晶體20a可為釹釔石榴石晶體(簡(jiǎn)稱(chēng)Nd: YAG ,其中Nd為釹-Neodymium， Y 為4乙一Yttrium， A為鋁Al- Aluminium, G為石榴石—Garnet ),所述^咅頻晶體20b 可為釩酸鉀晶體(KTiOP04,簡(jiǎn)稱(chēng)KTP);波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器20的主要作用是使固態(tài)激光 10所發(fā)射的激光由入射端21射入，并以倍頻原理將所述固態(tài)激光10所發(fā)射的激光 的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成不同波長(zhǎng)的激光如綠光，再由出射端22射出并入射至分光裝置30如
如釹釔石榴石晶體(簡(jiǎn)稱(chēng)Nd:YAG )與釩酸鉀晶體(KTiOP04,簡(jiǎn)稱(chēng)KTP ),因此本 發(fā)明的波長(zhǎng)壽爭(zhēng)4灸器的最佳轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)(maximum conversion wavelength)可維持于 在固定值而不隨外界溫度變化而相對(duì)變化。
所述分光裝置30如一棱鏡可為一具有一 45度分光面31的分光裝置，其是安 排在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器20的后方，當(dāng)由波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器20的出射端22射出的激光11入射至 分光裝置30的45度分光面31時(shí)，所述轉(zhuǎn)換后的激光ll可分成兩道光束，其中的 第一道光束12是主光束可垂直所述設(shè)置平面51而向外射出以成為本發(fā)明微型固態(tài) 激光模塊1的主要輸出光源，其中的第二道光束13是穿過(guò)分光裝置30的45度分 光面31 (即一棱鏡面)而入射至光檢測(cè)器40。因此所述分光裝置30如一棱鏡的主 要作用是使所述轉(zhuǎn)換后的激光11分成一大一小兩部分，其中的大部分激光即第一
11道光束12向外輸出以形成本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊1的主要輸出光源，而其中的
小部分激光即第二道光束13則射至(輸入)光檢測(cè)器40,使分光裝置30的分光面 31當(dāng)作激光11的部分反射面，使激光11的大部分激光即第一道光束12入射在分 光裝置30的分光面31上時(shí)會(huì)被反射，只有小部分激光即第二道光束13會(huì)穿透分 光裝置30的分光面31 (棱鏡面)31而被光檢測(cè)器40接收；又分光裝置30的分光 面31可為配合激光11波長(zhǎng)的部分反射材^K或可增設(shè)一配合激光11波長(zhǎng)的部分 反射分光鏡。
所述光檢測(cè)器40是用以檢測(cè)第二道光束13的光功率并藉以控制固態(tài)激光10 所發(fā)射的激光的波長(zhǎng)，以使本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊1可通過(guò)所述光檢測(cè)器40直 接偵測(cè)轉(zhuǎn)換后激光的第二道光束13以進(jìn)行補(bǔ)償修正，如利用邏輯電路以控制提升 或降低固態(tài)激光10的驅(qū)動(dòng)電流，或通知固態(tài)激光10的底座60上所附設(shè)的溫度控 制器61以進(jìn)行溫度控制，以將固態(tài)激光10所發(fā)射的激光的波長(zhǎng)控制并調(diào)整至等于 或趨近于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器20的最佳轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)，以提升激光模塊的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率而增進(jìn) 其光功率，達(dá)成直接式監(jiān)測(cè)效果以有效降低回饋補(bǔ)償?shù)恼`差。至于在上述利用邏輯 電路以自動(dòng)控制提升或降低固態(tài)激光10的驅(qū)動(dòng)電流或通知固態(tài)激光10的底座60 上所附設(shè)的溫度控制器61以進(jìn)行溫度控制中，所述的邏輯電路的設(shè)計(jì)及其以自動(dòng) 控制功能可由現(xiàn)有電路設(shè)計(jì)而達(dá)成，故在此不另詳述所述邏輯電路的線(xiàn)路設(shè)計(jì)。
通過(guò)所述分光裝置30如一棱鏡的安排，使本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊1所設(shè)的 主要元件包含固態(tài)激光10、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器20、分光裝置30如一棱鏡及光檢測(cè)器40, 可封裝在一平面上處理如設(shè)在硅載板50的上表平面51上，故有利于封裝在一較小 的TO-can封裝型式(T0-can packaging)的組裝結(jié)構(gòu)中如圖7、 8、 9所示，可有 效減縮微型固態(tài)激光模塊1的體積，并增進(jìn)微型固態(tài)激光模塊1的使用效率及簡(jiǎn)化 其組裝結(jié)構(gòu)，使本發(fā)明的微型固態(tài)激光模塊l簡(jiǎn)在體積、性能、產(chǎn)能方面均優(yōu)于傳 統(tǒng)固態(tài)激光模塊。
又通過(guò)光檢測(cè)器40的安排，使本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊1可通過(guò)所述光檢測(cè) 器40直接偵測(cè)轉(zhuǎn)換后激光的第二道光束13以進(jìn)行補(bǔ)償修正，達(dá)成直接式監(jiān)測(cè)效果 以有效降低回饋補(bǔ)償?shù)恼`差，以使所進(jìn)行回饋補(bǔ)償?shù)恼`差為最小，而遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)式 的回々貴方式。
本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊l具有上述的基本架構(gòu)，即包含一固態(tài)激光IO、 一波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器2G、 一分光裝置3G如一棱鏡及一光;f全測(cè)器(PD) 4G等主要元件，且是依 序設(shè)在一平面上如設(shè)在一硅載板50的上表平面51上如圖1、 2所示；然而，所述等主要元件在平面上的光耦合方式并不限制，如可在平面上以直接光耦合方式排列
形成一直列，或可間接采用額外的微光學(xué)元件(micro optics)以取代直接光耦合
方式，如采用光耦合鏡片的光耦合方式或準(zhǔn)直鏡片配合聚焦鏡片的間接光耦合方式
或排列方式并不限制；又所述等主要元件在平面上的排列方式并不限制，如進(jìn)一步 可配合利用一直角棱鏡(right angle prism)以回折由固態(tài)激光至分光裝置之間 的光路，使所述等主要元件及相配合使用的微光學(xué)元件可排列形成二平行直列，以 有效縮小本發(fā)明激光模塊的容置空間?，F(xiàn)以較佳實(shí)施例分別說(shuō)明如下 <第一實(shí)施例>
參照?qǐng)D1、 2所示，其分別是本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊的基本架構(gòu)(可視為第 一實(shí)施例)示意圖及其俯視示意圖。本實(shí)施例的微型固態(tài)激光模塊1是釆用直接光 耦合的方式，即本實(shí)施例使用808激光二極管晶片(808 LD chip )以發(fā)射波長(zhǎng)808nm 的激光，并在極短的距離內(nèi)約2 ~ 3um，入射至波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器20的非線(xiàn)性晶體20a與 倍頻晶體20b中，再由波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器20 (倍頻晶體20b)的出射端22射出，經(jīng)由具 45度分光面31的分光裝置30，使其中的第一道光束12可以與原入射角度呈90度 的方向出射，即垂直所述設(shè)置平面51而向外射出，以成為本發(fā)明微型固態(tài)激光模 塊l的主要輸出光源。而本實(shí)施例采用的直接光耦合的方式如圖2所示，是以直接 光耦合的方式排列，即固態(tài)激光10與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器20形成一直列排列，如此的排列 方式最為精簡(jiǎn)，所占空間也最小，可容納在TO-5 ( TO-Can )的封裝結(jié)構(gòu)中，但相對(duì) 需要極高的組裝定位精度(約lum),在進(jìn)行組裝定位作業(yè)時(shí)，將會(huì)挑戰(zhàn)組裝機(jī)臺(tái)的 極限而相對(duì)降低組裝作業(yè)效率。
<第二實(shí)施例〉
參照?qǐng)D3所示，其是本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊的第二實(shí)施例立體示意圖。本實(shí) 施例的微型固態(tài)激光模塊2進(jìn)一步釆用間接光耦合的方式以取代第一實(shí)施例的直接 光耦合方式，也就是另外采用額外的微光學(xué)元件(Micro Optics) 70來(lái)完成間接光耦 合的需求，所述微光學(xué)元件(Micro Optics) 70可為一光耦合鏡片(co叩ling lens) (圖未示)，或如圖3所示由一準(zhǔn)直鏡片(collimator lens) 71配合一聚焦鏡片 (focusing lens) 72纟且合形成(即準(zhǔn)直鏡片collimator lens +聚焦《竟片focusing lens)，由此不但可大幅加大組裝定位精度的公差而有利于量產(chǎn)化，而且對(duì)于光能 量的衰減也相當(dāng)小(小于2%),不至影響輸光激光的功率。
<第三實(shí)施例〉
參照?qǐng)D4、 5、 6所示，其分別是一 TO-Can封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部尺寸參考圖及本發(fā)明微型固態(tài)激光模塊的第三實(shí)施例的兩種不同俯視示意圖。由于一 TO-Can的封裝 結(jié)構(gòu)中其內(nèi)部可供容放元件的空間相當(dāng)有限，如以T0-5而言如圖4所示，其內(nèi)部 可容放元件的面積約為5mm X 5mm,因此若要在如此有限的面積擺置本發(fā)明微型固 態(tài)激光模塊的固態(tài)激光10及其底座(Sub-mount) 60、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器20如非線(xiàn)性晶 體20a與倍頻晶體20b(如Nd: YAG與KTP)、及其他微光學(xué)元件(Micro Optics) 70如 圖3所示的準(zhǔn)直鏡片(collimator lens) 71與聚焦鏡片(focusing lens)及分光 裝置30如一棱鏡及光檢測(cè)器40等元件，可能會(huì)有放置空間不足的疑慮。
本實(shí)施例的微型固態(tài)激光模塊3所示進(jìn)一步配合利用一直角棱鏡(right angle prism) 80以回折由固態(tài)激光1Q至分光裝置30之間的光路，如使用一微光學(xué)元件 (光耦合鏡片)70與一直角棱鏡80，其中所述微光學(xué)元件70可為一光耦合鏡片 (co叩ling lens)如圖5所示，使固態(tài)激光10所述所發(fā)射的激光先射入一微光學(xué) 元件(光耦合鏡片)70再入射至直角棱鏡80以產(chǎn)生180度回折，再射入后續(xù)的波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器20、分光裝置30如一棱鏡及光檢測(cè)器40;或所述微光學(xué)元件70可由一 準(zhǔn)直鏡片(collimator lens ) 71與一聚焦4竟片(focusing lens ) 72組合形成(即 準(zhǔn)直鏡片+聚焦鏡片)如圖6所示，使固態(tài)激光10所述所發(fā)射的激光先射入一準(zhǔn) 直鏡片71再入射至直角棱鏡80以產(chǎn)生180度回折，再射入聚焦鏡片72,再射入后 續(xù)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器20、分光裝置30及光檢測(cè)器40,使本實(shí)施例的微型固態(tài)激光模塊 3的主要元件(10、 20、 30、 40)及相配合使用的微光學(xué)元件(70)可排列形成二 平行直列如圖5、 6所示，以有效縮小微型固態(tài)激光模塊3的容置空間，以有利于 封裝在一較小的TO-can封裝。
參照?qǐng)D7、 8、 9所示，其分別是本發(fā)明一微型固態(tài)激光模塊實(shí)施例實(shí)際封裝至 TO-Can封裝結(jié)構(gòu)中的立體示意圖及俯視、側(cè)視(附尺寸)示意圖，其中，如圖3所 示本實(shí)施例的樣i型固態(tài)激光模塊2設(shè)在一 T0-can封裝結(jié)構(gòu)90內(nèi)，而所述TO-can 封裝結(jié)構(gòu)90基本上包含一 T0-can 4竟片(T0-can lens) 91、 一 TO-can蓋(TO-can cap) 92、 一 TO-can岸義座(TO-can header) 93及TO-can電性連才妄部(electronic connection of TO-can) 94;而由圖7、 8、 9所示，本發(fā)明的農(nóng)么型固態(tài)激光才莫塊確 實(shí)可封裝至TO-Can封裝結(jié)構(gòu)中，以達(dá)成一微型固態(tài)激光^f莫塊的使用狀態(tài)。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明而言?xún)H僅是說(shuō)明性的，而非 限制性的。本專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可 對(duì)其進(jìn)行許多改變，修改，甚至等效變更，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，其包含一固態(tài)激光、一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、一分光裝置及一光檢測(cè)器，其中；所述固態(tài)激光是發(fā)射激光并入射至所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器；所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器是以倍頻原理將所述固態(tài)激光所發(fā)射的激光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成不同波長(zhǎng)的激光，并入射至所述分光裝置；所述分光裝置是安排在所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器后方用以將射入的轉(zhuǎn)換后激光分成第一及第二兩道光束，其中所述第一道光束是向外射出以成為主要輸出光源，其中所述第二道光束是穿過(guò)所述分光裝置而入射至所述光檢測(cè)器；所述光檢測(cè)器是用以接收并檢測(cè)經(jīng)過(guò)所述分光裝置的第二道光束的光功率；其中，利用所述分光裝置的安排以使所述固態(tài)激光、所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、所述分光裝置及所述光檢測(cè)器封裝設(shè)置在一平面上處理；其中，通過(guò)所述光檢測(cè)器偵測(cè)所述第二道光束的光功率，以對(duì)所述第一道光束進(jìn)行光功率的回饋補(bǔ)償及修正。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述固態(tài)激光、 所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、所述分光裝置及所述光檢測(cè)器是封裝在一硅載板的表平面上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述固態(tài)激光、 所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、所述分光裝置及所述光檢測(cè)器是封裝在一導(dǎo)熱良好的載板的表平 面上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述固態(tài)激光是 選自一半導(dǎo)體激光、二極管固態(tài)激光、單晶片激光及一具有復(fù)數(shù)個(gè)光電裝置的模塊 中一種。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述固態(tài)激 光是使用一 808激光二極管晶片而發(fā)射波長(zhǎng)808nm的激光。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述固態(tài)激光進(jìn) 一步具有一溫度控制器以控制所述固態(tài)激光的溫度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述溫度控制器 至少包含電阻式致熱器或致冷器中一種。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器是由 一非線(xiàn)性晶體與 一倍頻晶體組成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述非線(xiàn)性晶體 為釹釔石榴石晶體。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述倍頻晶體為 釩酸鉀晶體。
11、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，經(jīng)所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 器轉(zhuǎn)換后的激光為綠光。
12、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述分光裝置是 一具有45度分光面的棱鏡。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述分光裝置 的分光面是配合入射的激光波長(zhǎng)的部分反射材料。.
14、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述第一道光束 是大部分激光并以垂直所述設(shè)置用的平面的方向而向外射出以成為主要輸出光源。
15、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述第二道光束 是小部分激光并穿過(guò)所述分光裝置而入射至所述光檢測(cè)器。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，當(dāng)所述光檢測(cè)器 在偵測(cè)所述第二道光束的光功率不足時(shí)，利用邏輯電路以控制提升或降低所述固態(tài) 激光的驅(qū)動(dòng)電流，以對(duì)所述第 一道光束進(jìn)行光功率的回饋補(bǔ)償及修正。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，當(dāng)所述光檢 測(cè)器在偵測(cè)所述第二道光束的光功率不足時(shí)，利用邏輯電路通知所述固態(tài)激光的溫 度控制器以對(duì)所述固態(tài)激光進(jìn)行溫度控制，以將所述固態(tài)激光所發(fā)射的激光的波長(zhǎng) 控制并調(diào)整至等于或趨近于所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的最佳轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)，以對(duì)所述第一道光束 進(jìn)行光功率的回饋補(bǔ)償及修正。
18、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述固態(tài)激光所 發(fā)射的激光是采用直接光耦合方式在極短的距離內(nèi)耦合入射至所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器中， 使所述固態(tài)激光與所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器形成一直列排列。
19、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述固態(tài)激光與 所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器之間進(jìn)一步設(shè)置微光學(xué)元件，使所述固態(tài)激光所發(fā)射的激光采用間 接光耦合方式先經(jīng)過(guò)所述纟敖光學(xué)元件再耦合入射至所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器中。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19項(xiàng)所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述微光學(xué) 元件是一光耦合鏡片。
21、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述微光學(xué)元 件是由一準(zhǔn)直鏡片配合一聚焦鏡片組合形成。
22、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述固態(tài)激光與所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器之間進(jìn)一步配合設(shè)置一直角棱鏡，使所述固態(tài)激光所發(fā)射的激光經(jīng)所述直角棱鏡產(chǎn)生180度回折后再射入后續(xù)的所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，使所述固態(tài)激光與 所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器之間形成二平行直列排列。
23、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微型固態(tài)激光模塊，其特征在于，所述微型固態(tài)激 光模塊是設(shè)在一 TO-can封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明是一種微型固態(tài)激光模塊，其由包含下列主要元件一固態(tài)激光以發(fā)射激光；一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器供以倍頻原理將所述的激光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成不同波長(zhǎng)的激光如綠光；一分光裝置如棱鏡安排在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器后方用以將轉(zhuǎn)換后激光分成兩道光束第一道光束為主光束含大部分功率且可垂直向外射出而成為主要輸出光源，第二道光束穿過(guò)分光裝置如一棱鏡并入射至一光檢測(cè)器；及一光檢測(cè)器用以檢測(cè)第二道光束的光功率；其中，利用所述分光裝置使所有元件可封裝在一平面上處理，以利于封裝在一較小的TO-can封裝中；又可通過(guò)光檢測(cè)器直接偵測(cè)經(jīng)所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換后激光來(lái)做補(bǔ)償修正，以使所進(jìn)行回饋補(bǔ)償?shù)恼`差為最小而遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)式的回饋方式。
文檔編號(hào)H01S3/109GK101673919SQ20081021185
公開(kāi)日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2008年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月11日
發(fā)明者溫明華, 陳國(guó)仁, 陳致曉 申請(qǐng)人:宏瞻科技股份有限公司