專利名稱：帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光器模塊，具體的講，涉及具有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝 置的半導(dǎo)體激光器模塊。
背景技術(shù)：
作為一種極有潛力的新型腫瘤治療技術(shù)，光動(dòng)力療法是集激光技術(shù)、光導(dǎo)技術(shù)、光 信息處理等多項(xiàng)技術(shù)組成的高科技技術(shù)，大功率半導(dǎo)體激光器是光動(dòng)力療法中最核心的設(shè) 備，其技術(shù)含量也是最高的，生產(chǎn)光纖末端輸出功率大于2W的630nm激光器是目前國內(nèi)外 的一個(gè)技術(shù)瓶頸，根據(jù)目前國內(nèi)外半導(dǎo)體激光器制造業(yè)的技術(shù)和能力，630nm波長附近單 個(gè)激光管芯輸出功率大都在200-300mW以下，而最終我們的系統(tǒng)要求的光功率卻要小于或 等于10W(考慮各級(jí)耦合、傳輸損耗)，甚至更高光功率。所以在完成管芯后，必須采用一些 特殊的技術(shù)將多個(gè)激光管芯輸出進(jìn)行合成以得到大功率。目前業(yè)界一般是采用兩種方法 來解決激光耦合問題一種方式是每個(gè)管芯分別耦合至單根小孔徑光纖，然后再形成光束 (Bundle)輸出，如下圖IA所示采用這種方式的激光器存在以下缺點(diǎn)當(dāng)光纖末端需要達(dá)到較大能量時(shí)至少需要 多個(gè)個(gè)單管串聯(lián)或者并聯(lián)，每個(gè)激光器還要激光電源單獨(dú)供電，然后由多根小孔徑光纖形 成合束，因此體積龐大、輸出光纖芯徑粗、故障率高、成本高。另一種方式是激光器本身采用 陣列(Bar)形式，然后通過一組光學(xué)組件系統(tǒng)將能量耦合到一根較小孔徑的輸出光纖中， 如圖3所示。優(yōu)點(diǎn)是體積小、高輸出功率、高耦合效率，光斑直徑小、穩(wěn)定性好，較易驅(qū)動(dòng)和 控制。本系統(tǒng)采用第二種方式，采用傳導(dǎo)冷卻單陣列光纖耦合制作成激光模塊。而傳統(tǒng)的激光器一般只集成封裝有溫度傳感器或光電檢測(cè)二極管，不能更好地滿 足特別是在醫(yī)療手術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用，故障率高，
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供具有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器，在 模塊中集成了傳統(tǒng)激光器所無法具備的多種檢測(cè)和保護(hù)功能，以解決激光醫(yī)療的實(shí)際使用 情況中全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證激光器更加穩(wěn)定地運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了如下技術(shù)方案本實(shí)用新型的帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器模塊，包括基板， 基板上設(shè)置有半導(dǎo)體激光器單元，其用于產(chǎn)生激光并安裝于基板，在該單元的臨近位置設(shè) 置有溫度傳感器，該溫度傳感器用于檢測(cè)激光器的實(shí)際工作溫度，為恒溫控制和過溫報(bào)警 提供溫度檢測(cè)采樣信號(hào)；在基板上與半導(dǎo)體激光器單元出射位置設(shè)置有光功率傳感器，其 作用是檢測(cè)激光器的實(shí)際光功率，為外部提供激光功率反饋采樣信號(hào)；包括光學(xué)聚焦鏡組、 偏振耦合器、快慢光軸準(zhǔn)直模塊組成的光學(xué)組件，設(shè)置于半導(dǎo)體激光器單元的出射光路軸 線上，作用是將半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光通過該光學(xué)組件聚焦發(fā)射于光纖連接器的中心軸 上，同時(shí)保證當(dāng)外部光纖旋接到光纖連接器時(shí)，能聚焦于光纖中心端面上，達(dá)到最大的光傳輸效率；同時(shí)在光纖連接器通道中設(shè)有光纖插入檢測(cè)傳感器和光纖接口溫度傳感器，用來 檢測(cè)輸出端光纖是否銜接不良或接口因此引起的溫度過高，并將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給設(shè)備 中的控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。還可以獨(dú)立的或同時(shí)在基板中集成指示光光源、可置換保護(hù)窗口及光反射反饋窗本實(shí)用新型的首先是制作半導(dǎo)體激光器單元篩選半導(dǎo)體激光管管芯芯片，以鍍 金的長方體熱沉作為中間載體，以整片的方式在熱沉上蒸鍍焊料，利用焊料在每個(gè)熱沉單 位上粘結(jié)半導(dǎo)體激光器管芯芯片，粘結(jié)完畢后一起放入合金爐，采用金錫焊料，在^(TC 300°C及通氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下燒結(jié)10秒 60秒，將燒結(jié)后粘有芯片的熱沉單位從整片熱沉片 上切割下來，利用銀漿單陣列排布粘結(jié)到合金銅層平面邊緣上，在半導(dǎo)體激光器管芯芯片 的N面電極上鍵合金線，將金線連接陰極管腳上，合金銅層作為正極。芯片之間采用并聯(lián)陣 列排布，整體固定在密封的金屬盒內(nèi)，同時(shí)粘結(jié)好溫度傳感器、光功率傳感器、光纖插入探 測(cè)傳感器和指示光光源部件等，并將其引線由信號(hào)排線接口集合最為信號(hào)線輸出接口。通 過一組光學(xué)自建系統(tǒng)，調(diào)節(jié)好光學(xué)聚焦點(diǎn)，將激光能量耦合到光纖連接器(SMA905接口)標(biāo) 準(zhǔn)輸出接口，保證最高的傳輸效率。本實(shí)用新型的有益效果在于，可以結(jié)合激光醫(yī)療的實(shí)際使用情況，在模塊中集成 了傳統(tǒng)激光器所不具備的多種檢測(cè)和保護(hù)功能，如可置換保護(hù)窗口、光纖接口溫度傳感器、 光功率傳感器、光纖插入檢測(cè)傳感器、光學(xué)組件及光反射反饋窗口等。優(yōu)點(diǎn)是高輸出功率、 高耦合效率、體積小、壽命長、穩(wěn)定性好，可以實(shí)現(xiàn)工作全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證了激光器在系 統(tǒng)中更加安全可靠的運(yùn)行。
圖1為依照現(xiàn)有技術(shù)的光纖耦合的原理示意圖。圖2為依照本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
的帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置 的半導(dǎo)體激光器模塊主要部件半導(dǎo)體激光器單元的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖3為依照本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
的帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置 的半導(dǎo)體激光器模塊主要部件半導(dǎo)體激光器單元的結(jié)構(gòu)立體圖圖4為安裝了依照本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
的帶有多種檢測(cè)傳感器和保 護(hù)裝置的的整體模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為依照本實(shí)用新型的一種帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器 模塊內(nèi)部主要部件和傳感器信號(hào)弓丨線連接圖。圖6為依照本實(shí)用新型的一種帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器 模塊采用其光學(xué)原理及具體實(shí)施三種應(yīng)用舉例。
具體實(shí)施方式
圖2、圖3為示出了本實(shí)用新型的主要部件，即半導(dǎo)體激光器單元10的結(jié)構(gòu)示意 圖，參照?qǐng)D2、3，該半導(dǎo)體激光器單元10包括一熱沉即半導(dǎo)體激光器正極104，壓接于該熱 沉上的相互電隔離的半導(dǎo)體激光器負(fù)極103，以及設(shè)置于半導(dǎo)體激光器正極104上的半導(dǎo) 體激光器管芯芯片陣列102。該半導(dǎo)體激光器正極可以是合金銅層，保證激光器在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的熱量由該熱沉傳導(dǎo)。激光器管芯負(fù)極通過金線拉絲焊接到激光器負(fù)極103上面 或者直接表面壓接，半導(dǎo)體激光器正極104和半導(dǎo)體激光器負(fù)極103通過銅螺柱13、銅螺 柱14延伸固定至外殼基板100，參見圖4，同時(shí)使用塑料件保證正負(fù)極性間的良好絕緣，銅 螺柱14和銅螺柱13作為激光器供電的外部電源正負(fù)極輸入端子。A為半導(dǎo)體激光器管芯 芯片陣列102射出的激光束和方向。該半導(dǎo)體激光器單元10的制作方式如下首先篩選半導(dǎo)體激光管管芯芯片，以 鍍金的長方體熱沉作為中間載體，此后，以整片的方式在熱沉上蒸鍍焊料，利用焊料在每 個(gè)熱沉單位上粘結(jié)半導(dǎo)體激光器管芯芯片，粘結(jié)完畢后一起放入合金爐，采用金錫焊料， 在280°C 300°C及通氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下燒結(jié)10秒 60秒，將燒結(jié)后粘有芯片的熱沉單位 從整片熱沉片上切割下來，利用銀漿單陣列排布粘結(jié)到合金銅層平面邊緣上，在半導(dǎo)體激 光器管芯芯片的N面電極上鍵合金線，將金線連接陰極管腳上，合金銅層作為正極，芯片之 間采用并聯(lián)陣列排布，數(shù)量可以單個(gè)或者多個(gè)并聯(lián)。該半導(dǎo)體激光器波長范圍為375nm 980nmo如圖4和圖5所示，該帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器模塊，包括 基板100，基板100上設(shè)置有半導(dǎo)體激光器單元10，其用于產(chǎn)生激光并安裝于基板，在該單 元10的臨近位置設(shè)置有溫度傳感器20，該溫度傳感器20用于檢測(cè)激光器的實(shí)際工作溫度， 為恒溫控制和過溫報(bào)警提供溫度檢測(cè)采樣信號(hào)；在基板上與半導(dǎo)體激光器單元出射位置設(shè) 置有光功率傳感器30，其作用是檢測(cè)激光器的實(shí)際光功率，為外部提供激光功率反饋采樣 信號(hào)；包括光學(xué)聚焦鏡組87、偏振耦合器88、快慢光軸準(zhǔn)直模塊89組成的光學(xué)組件，如圖 4、6所示，設(shè)置于半導(dǎo)體激光器單元10的出射光路軸線上，作用是將半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的 激光通過該光學(xué)組件聚焦發(fā)射于光纖連接器40的中心軸上，同時(shí)保證當(dāng)外部光纖旋接到 光纖連接器40時(shí)，能聚焦于光纖中心端面上，達(dá)到最大的光傳輸效率，由圖6示意圖應(yīng)用舉 例可以看到，從半導(dǎo)體激光器管芯所發(fā)射出的激光束，經(jīng)過光學(xué)組件進(jìn)行準(zhǔn)直、排列、聚焦 轉(zhuǎn)變后，耦合到光纖連接器40中心軸向的焦點(diǎn)，當(dāng)外部光纖通過光纖連接器銜接到該焦點(diǎn) 時(shí)，保證該焦點(diǎn)上的激光能量匯聚于外部光纖中心端面重合。該方法比光束(Bundle)輸出 形式輸出的激光器而言，可以并聯(lián)更多數(shù)量的激光器管芯且管芯間陣列排列封裝，最大優(yōu) 點(diǎn)是高功率、小體積；同時(shí)在基板100中還集成了指示光光源11，指示光所發(fā)射的光通過 鏡組86反射進(jìn)入偏振耦合器88，最后通過聚焦鏡組87可與半導(dǎo)體激光器所發(fā)射的光同時(shí) 耦合進(jìn)入外接光纖中，該指示光光源在醫(yī)療手術(shù)過程中具有靶向定位和治療指引的重要作 用。光纖連接器40可以是SMA或者FC接口，偏振耦合器8和鏡組86呈45°安裝。在光纖連接器40通道中設(shè)有光纖插入檢測(cè)傳感器50和光纖接口溫度傳感器60， 用來檢測(cè)輸出端光纖是否銜接不良或脫落，以及接口因此引起的溫度過高，并將檢測(cè)到的 信號(hào)反饋給設(shè)備中的控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，保證激光器的最大傳輸效率和安全地運(yùn)行。這兩 個(gè)傳感器為激光器有效傳輸提供檢測(cè)信號(hào)，更好地保護(hù)了激光器?？芍脫Q保護(hù)窗口 70安裝于光纖連接器40后端，主要作用是為了當(dāng)頻繁連接外部 光纖時(shí)，異物和灰塵極易通過光纖連接器40通道進(jìn)入光學(xué)組件80腔體中，阻礙了軸向光學(xué) 傳輸通道，嚴(yán)重影響傳輸效率。用此保護(hù)窗口可以保證腔體與外部的有效隔離；其二，為了 對(duì)污染面進(jìn)行清潔和更換，該保護(hù)窗口是嵌入式的固定于基板100，方便拆卸和更換。光反射反饋窗口 90設(shè)置在偏振耦合器88的一個(gè)分支光路上，其作用是在激光在5傳輸過程中，當(dāng)有激光由于外界原因反射時(shí)通過偏振耦合器88反射到該光反射反饋窗口， 為外部提供激光反射反饋光信號(hào)。方便控制系統(tǒng)用此功能進(jìn)行檢測(cè)和控制。整個(gè)模塊采用密封封裝，內(nèi)部充有氮?dú)猓康氖菫榱朔乐乖谥评涞淖饔孟掳雽?dǎo)體 激光器由于溫差而產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，從而在工作過程中損壞激光器。所述的半導(dǎo)體激光器可以為單個(gè)或陣列排布直接焊接在熱沉上激光條。所述的光纖插入探測(cè)傳感器可以是機(jī)械式的或者是光電式的。所述的激光管溫度傳感器是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)或正溫度系數(shù)熱敏電阻 (PTC)。所述的光功率傳感器是光電二極管(PD)類型的光電式傳感器。所述的指示光光源是波長范圍為375 SOOnm的激光光源或LED光源。
權(quán)利要求1.一種帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器模塊，其特征在于包括基板 (100)，基板(100)上設(shè)置有半導(dǎo)體激光器單元(10)，其用于產(chǎn)生激光并安裝于基板，在該 單元(10)的臨近位置設(shè)置有溫度傳感器(20)，該溫度傳感器00)用于檢測(cè)激光器的實(shí)際 工作溫度，為恒溫控制和過溫報(bào)警提供溫度檢測(cè)采樣信號(hào)；在基板上與半導(dǎo)體激光器單元 出射位置設(shè)置有光功率傳感器(30)，其作用是檢測(cè)激光器的實(shí)際光功率，為外部提供激光 功率反饋采樣信號(hào)；包括光學(xué)聚焦鏡組(87)、偏振耦合器(88)、快慢光軸準(zhǔn)直模塊(89)組 成的光學(xué)組件，設(shè)置于半導(dǎo)體激光器單元(10)的出射光路軸線上，作用是將半導(dǎo)體激光器 產(chǎn)生的激光通過該光學(xué)組件聚焦發(fā)射于光纖連接器GO)的中心軸上，同時(shí)保證當(dāng)外部光 纖旋接到光纖連接器GO)時(shí)，能聚焦于光纖中心端面上，達(dá)到最大的光傳輸效率；同時(shí)在 光纖連接器GO)通道中設(shè)有光纖插入檢測(cè)傳感器(50)和光纖接口溫度傳感器(60)，用來 檢測(cè)輸出端光纖是否銜接不良或接口因此引起的溫度過高，并將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給設(shè)備 中的控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。
2.如權(quán)利要求1所述帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器模塊，其特征 是還包括可置換保護(hù)窗口(70)，其安裝于光學(xué)組件(80)與光纖連接器00)之間，主要作 用是為了當(dāng)頻繁連接外部光纖鏡面有灰塵或者污垢殘留時(shí)方便更換。
3.如權(quán)利要求1所述帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器模塊，其特征 是還包括光反射反饋窗口(90)，其設(shè)置在偏振耦合器(88)的一個(gè)分支光路上，其作用是 在激光在傳輸過程中，當(dāng)有激光反射時(shí)通過偏振耦合器(洲)反射到該光反射反饋窗口，為 外部提供激光反射反饋。
4.如權(quán)利要求1所述帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器模塊，其特征 是所述的半導(dǎo)體激光器為單個(gè)或陣列排布直接焊接在熱沉上激光條。
5.如權(quán)利要求1所述帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器模塊，其特征 是所述的光纖插入探測(cè)傳感器可以是機(jī)械式的或者是光電式的。
6.如權(quán)利要求1所述帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器模塊，其特征 是所述的激光管溫度傳感器是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC或正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC。
7.如權(quán)利要求1所述帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器模塊，其特征 是所述的光功率傳感器是光電二極管PD類型的光電式傳感器。
8.如權(quán)利要求1所述帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器模塊，其特征 是所述的指示光光源是波長范圍為375 SOOnm的激光光源或LED光源。
專利摘要本實(shí)用新型涉及帶有多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置的半導(dǎo)體激光器模塊，包括半導(dǎo)體激光器，激光管溫度傳感器，光纖接口溫度傳感器，光功率傳感器，光纖插入檢測(cè)傳感器，指示光光源，可置換保護(hù)窗口，光學(xué)組件及光反射反饋窗口。由于在激光模塊中封裝多種檢測(cè)傳感器和保護(hù)裝置，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)激光器更有效的實(shí)時(shí)地控制和監(jiān)測(cè)，從而保證激光器更加穩(wěn)定地運(yùn)行，同時(shí)采用了半導(dǎo)體激光芯片陣列封裝和系列光學(xué)組件耦合，使激光器輸出功率高；優(yōu)點(diǎn)是高輸出功率、高耦合效率，體積小、壽命長、穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)H01S5/026GK201829809SQ20102024417
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者吳榮亮, 杜毅 申請(qǐng)人:深圳市雷邁科技有限公司