專利名稱：一種組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體激光器，具體涉及一種組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源及其制備方法。
背景技術(shù)：
固體激光器最有效的泵浦源是半導(dǎo)體激光器，高功率半導(dǎo)體激光器泵浦的全固態(tài)激光器，是近幾年發(fā)展的一個熱點。半導(dǎo)體與閃光燈泵浦光源相比，半導(dǎo)體激光器有突出的優(yōu)點⑴工作時間長；⑵低功耗；⑶體積小；⑷更重要的是其光譜與激光材料的吸收光譜匹配好，因此產(chǎn)生的熱效應(yīng)小，有利于提高固體激光器的工作穩(wěn)定性和光束質(zhì)量。隨著全固態(tài)激光器在工業(yè)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域展現(xiàn)越來越廣闊的應(yīng)用前景，對作為核心部件的半導(dǎo)體激光器泵浦源提出了更高的要求。在固體激光棒的側(cè)泵應(yīng)用中通常采用半導(dǎo)體激光器水平陣列的發(fā)光面為平面形發(fā)光結(jié)構(gòu)，側(cè)面泵浦源的通常采用半導(dǎo)體激光器水平陣列呈正三角，正五角，正七角等。這種結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致固體激光棒對泵浦光的吸收不均勻，吸收效率低，導(dǎo)致固體激光器輸出光斑的均勻性較差，泵浦效率低。傳統(tǒng)的發(fā)光面為平面形發(fā)光結(jié)構(gòu)的側(cè)泵見圖1?！耙环N半導(dǎo)體激光器側(cè)泵模塊”(CN101834402A)公開了一種半導(dǎo)體激光器側(cè)泵模塊，其是由一個或多個側(cè)泵模塊單元以及一個晶體棒組成，其側(cè)泵模塊的發(fā)光面為平面形發(fā)光結(jié)構(gòu)，該側(cè)泵模塊利用大功率半導(dǎo)體激光器陣列作為泵浦源，經(jīng)過擴(kuò)束和勻化，使泵浦光束的均勻性和能量密度滿足使用要求。其增加了快軸準(zhǔn)直鏡及擴(kuò)束鏡，增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，同時，各個側(cè)泵模塊之間相互獨立沒有集成。把半導(dǎo)體激光器陣列泵浦源的平面結(jié)構(gòu)發(fā)光面設(shè)計成半圓形結(jié)構(gòu)發(fā)光面，會使固體激光棒對泵浦光源的吸收均勻，提高泵浦效率，同時固體激光棒的輸出光斑均勻性得到改善，但是傳統(tǒng)的半圓形結(jié)構(gòu)側(cè)泵(如圖2)存在以下缺點(1)成品率低。目前的半圓形結(jié)構(gòu)側(cè)泵制備過程是將半導(dǎo)體激光器陣列整體焊接在散熱器上，多個巴條一起焊接在散熱器上，巴條損壞的可能性很高，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器泵浦源的成品率低。(2)無法檢驗和測試，也不便于老化。將半導(dǎo)體激光器陣列整體焊接在散熱器上制備成半導(dǎo)體激光器泵浦源，此種工藝會導(dǎo)致泵浦源無法進(jìn)行檢驗和測試，也不便于老化。(3)成本高。在整體進(jìn)行老化過程中，芯片損壞幾率較高，使得制成的半導(dǎo)體激光器泵浦源成本較高。(4)在進(jìn)行老化時，須整體進(jìn)行老化，老化過程中芯片可能損壞，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器泵浦源不合格。(5)維修困難。使用過程中，芯片不可替換，單個半導(dǎo)體激光器損壞后，芯片不可替換，維修困難，影響半導(dǎo)體激光器泵浦源的壽命，使其壽命降低。實用新型半圓柱面型發(fā)光面的半導(dǎo)體激光器陣列(專利號ZL01220203. 7)公開了一種半導(dǎo)體器件制作的固體激光器泵浦源，采用半圓形發(fā)光面的LD線列陣作為泵浦源，使棒狀激光介質(zhì)對泵浦源的吸收均勻，從而提高泵浦效率，同時也改善了固體激光器輸出光斑的均勻性，據(jù)該專利文件介紹，半圓柱面發(fā)光面的LD線列陣效率比平面型LD線列陣提高一倍以上，但是此專利中是將半導(dǎo)激光器芯片直接焊接在熱沉上，無法進(jìn)行檢驗和測試，不便于進(jìn)行老化，會導(dǎo)致泵浦源的成品率低；老化過程中，芯片可能損壞、合格率低，導(dǎo)致泵浦源合格率低；此外，其在使用過程中若單個芯片壞掉后，芯片不可替換，維修困難，影響整個固體激光器泵浦源的壽命。實用新型半導(dǎo)體激光器側(cè)泵浦模塊(專利號ZL200420114915. 7)公開了一種采用同心泵浦、同心冷卻的緊包泵浦結(jié)構(gòu)的拱形半導(dǎo)體激光器側(cè)泵浦模塊，本專利中對增益介質(zhì)形狀的要求苛刻，適用于增益介質(zhì)為棒狀的形式，其同樣是將半導(dǎo)激光器芯片直接焊接在熱沉上，無法進(jìn)行檢驗和測試，不便于進(jìn)行老化，會導(dǎo)致泵浦源的成品率低；老化過程中， 芯片可能損壞、合格率低，導(dǎo)致泵浦源合格率低；此外，其在使用過程中若單個芯片壞掉后， 芯片不可替換，維修困難，影響整個固體激光器泵浦源的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的半導(dǎo)體激光器泵浦源的成品率低、合格率低，拆裝維護(hù)不便、壽命較短等技術(shù)問題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源，包括半導(dǎo)體激光器模塊組和散熱器，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器模塊組是由一個或多個半導(dǎo)體激光器模塊組成(形成了半導(dǎo)體激光器陣列)，其中每一個半導(dǎo)體激光器模塊均通過活動鏈接方式或焊接方式固定于散熱器上。上述半導(dǎo)體激光器模塊由芯片和與芯片焊接的襯底組成，襯底通過活動鏈接方式或焊接方式固定于散熱器上。上述半導(dǎo)體激光器模塊組是由多個半導(dǎo)體激光器模塊串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)結(jié)合構(gòu)成。上述半導(dǎo)體激光器模塊是經(jīng)過測試、老化、篩選后的半導(dǎo)體激光器模塊。上述組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源的形狀與增益介質(zhì)的形狀或需求匹配，可以是環(huán)形、多邊形、長方形、正方形、菱形等其他形狀。本發(fā)明的側(cè)面泵浦源與增益介質(zhì)共同構(gòu)成了固體激光器。上述組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源的形狀優(yōu)選環(huán)形、多邊形、長方形、正方形或菱形。上述芯片是單管芯片、微型巴條、巴條或者由多個單管芯片、多個微型巴條、多個巴條芯片連接組成的芯片模塊。上述散熱器是高導(dǎo)熱率散熱基座(比如銅、金剛石或銀制散熱基座)、液冷散熱器或者半導(dǎo)體制冷散熱器。本發(fā)明還提供了一種組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源的制備方法，包括以下步驟(1)將單管芯片、微型巴條、巴條或者多個單管芯片組或者多個巴條芯片安裝在襯
4底上，組成一個或分別組成多個半導(dǎo)體激光器模塊；(2)將半導(dǎo)體激光器模塊進(jìn)行測試、老化、篩選；(3)將篩選后合格的一個或多個半導(dǎo)體激光器模塊安裝在散熱器上，制成組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源。在步驟C3)之前，最好先根據(jù)增益介質(zhì)的形狀或需求整體設(shè)計組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源的形狀。上述步驟(3)的安裝是指將襯底通過活動鏈接方式或焊接方式固定于散熱器上。本發(fā)明具有以下有益效果(1)本發(fā)明的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源采用模塊化集成的方式，各個模塊之間相互獨立；( 每個半導(dǎo)體激光器模塊可預(yù)先進(jìn)行測試、老化、篩選。測試、老化和篩選的過程中巴條的使用量較之傳統(tǒng)半圓形結(jié)構(gòu)側(cè)泵制備過程中巴條的個數(shù)大大減少，將提高生產(chǎn)制備過程中的成品率，降低了使用過程中芯片不合格的幾率；(3)先將每個半導(dǎo)體激光器模塊單獨進(jìn)行測試、老化后篩選出性能已知好的半導(dǎo)體激光器模塊，將其安裝在散熱器上，制成半導(dǎo)體激光器泵浦源，可保證半導(dǎo)體激光器泵浦源的性能已知良好，成品率高；(4)測試簡便，多個半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器模塊組合方式靈活，易檢驗、測試、老化；(5)維護(hù)簡易、可替換性好、壽命長，單個半導(dǎo)體激光器模塊損壞后，可替換，后繼維護(hù)方便簡易使半導(dǎo)體激光器泵浦源的壽命長；(6)可靠性高，適用于高溫等復(fù)雜多變的環(huán)境中使用，半導(dǎo)體激光器模塊可方便進(jìn)行可靠性測試；(7)成本低，因每個半導(dǎo)體激光器模塊可預(yù)先進(jìn)行測試、老化、篩選，提高了生產(chǎn)制備過程中的成品率，降低了使用過程中芯片不合格的幾率，同時制備好的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源是選用性能已知好的半導(dǎo)體激光器模塊，成品率高，整個工藝過程使得成本降低；(8)本發(fā)明中的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源的結(jié)構(gòu)可使用無銦化技術(shù)，可使用硬焊料。


圖1傳統(tǒng)的發(fā)光面為平面形發(fā)光結(jié)構(gòu)的側(cè)泵示意2傳統(tǒng)的半圓形結(jié)構(gòu)側(cè)泵示意圖；圖3為本發(fā)明的原理示意圖；圖4為本發(fā)明實施例一結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實施例一的一次拆解圖；圖6為本發(fā)明實施例二的二次拆解圖；圖7為本發(fā)明實施例二結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明實施例三結(jié)構(gòu)的示意圖；圖9為本發(fā)明實施例三測試結(jié)果圖。其中1為半導(dǎo)體激光器模塊組；2為散熱器；3、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、21為半導(dǎo)體激光器模塊；4為芯片；5為襯底；20為固體激光棒(即增益介質(zhì))。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述參見圖3給出的本發(fā)明原理示意圖，一種組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源，包括半導(dǎo)體激光器模塊組1和散熱器2，所述半導(dǎo)體激光器模塊組1固定在散熱器2上。上述的半導(dǎo)體激光器模塊組1是由一個或多個半導(dǎo)體激光器模塊3排列組成。上述的半導(dǎo)體激光器模塊3是由芯片4和襯底5組成。上述半導(dǎo)體激光器模塊3是預(yù)先測試、老化后篩選出已知性能好的半導(dǎo)體激光器模塊。圖3中四個半導(dǎo)體激光器模塊3呈四方對稱分布，并固定于兩塊散熱器2上。芯片4可以是單管芯片、微型巴條、巴條或者由多個單管芯片、多個巴條芯片、多個微型巴條芯片連接組成。襯底5的材質(zhì)為高導(dǎo)熱率材料。襯底主要是起散熱作用，可以采用絕緣介質(zhì)，或者也可以不考慮絕緣。散熱器2可以選用高導(dǎo)熱率的材料制冷，也可使用水冷、風(fēng)冷、電子制冷或者選擇兩種或兩種以上結(jié)合散熱。散熱器2的個數(shù)可以是單個，也可以使用多個。一種組合式高功率半導(dǎo)體激光器泵浦源的制備方法(1)由單管芯片、微型巴條、巴條或者多個單管芯片組、多個巴條芯片安裝在襯底 5上，組成了半導(dǎo)體激光器模塊；(2)半導(dǎo)體激光器模塊可預(yù)先測試、老化、篩選；(3)選用性能已經(jīng)好的半導(dǎo)體激光器模塊3串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合組成半導(dǎo)體激光器模塊組1，將其安裝在散熱器2上，制成組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源。根據(jù)激光器的工作原理，半導(dǎo)體激光器泵浦中固體激光器晶體發(fā)光時，出光過程中產(chǎn)生的熱量可由半導(dǎo)體激光器模塊組1傳到散熱器2上，由散熱器2傳出。本發(fā)明的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源中半導(dǎo)體激光器模塊可預(yù)先進(jìn)行測試、老化后篩選出性能已知好的，其可分別控制，單獨老化，測試、篩選，使得組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源的成品率高、壽命長。同時，半導(dǎo)體激光器模塊可選用不同波長的芯片，實現(xiàn)寬光譜多波長的輸出。實施例一如圖4、圖5和圖6所示的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源(較之于圖1所示的原理圖布局方式，結(jié)構(gòu)更緊湊)，包括半導(dǎo)體激光器模塊組1和散熱器2。所述半導(dǎo)體激光器模塊1通過活動鏈接方式(比如限位槽、卡接或其他公知的機(jī)械連接方式)固定在散熱器2上。半導(dǎo)體激光器模塊組1選用半導(dǎo)體激光器模塊6、7、8、9、10、11排列組成；上述半導(dǎo)體激光器模塊6、7、8、9、10、11是預(yù)先進(jìn)行測試、老化后篩選出性能已知好的半導(dǎo)體激光器模塊；半導(dǎo)體激光器模塊6、7、8、9、10、11分別選用不同波長的芯片4和襯底5組成。
芯片4選用的是6-10個巴條芯片連接組成也可以是多個單管芯片組成或者多個微型巴條芯片連接組成。上述襯底5的材質(zhì)為高導(dǎo)熱率材料。上述散熱器2可以選用高導(dǎo)熱率的材料和液體制冷，高導(dǎo)熱率材料可選用銅、金剛石、銅鎢等。本實施例組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源可實現(xiàn)多波長寬光譜的輸出。該組合式高功率半導(dǎo)體激光器泵浦源的制備方法(1)由單管芯片、微型巴條、巴條或者多個單管芯片組、多個巴條芯片安裝在襯底 5上，組成了半導(dǎo)體激光器模塊；(2)將半導(dǎo)體激光器模塊進(jìn)行測試、老化、篩選；(3)選用性能已知好的半導(dǎo)體激光器模塊6、7、8、9、10、11安裝在散熱器2上，制備成組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源。實施例二如圖7所示所示的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源，其形狀為三角形。半導(dǎo)體激光器模塊組1選用半導(dǎo)體激光器模塊12、13、14排列組成。半導(dǎo)體激光器模塊12、13、14分別選用芯片4和襯底5組成。上述襯底5的材質(zhì)為高導(dǎo)熱率材料。芯片4選用的是10個巴條芯片連接組成。半導(dǎo)體激光器模塊12、13、14是預(yù)先進(jìn)行測試、老化后篩選出的已知性能好的半導(dǎo)體激光器模塊。將半導(dǎo)體激光器模塊12、13、14通過螺絲固定在散熱器2上也可以通過焊接的方式固定在散熱器2上。上述散熱器2可以選用高導(dǎo)熱率的材料傳導(dǎo)制冷。實施例三如圖8所示的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源，其形狀為五邊形，其包括半導(dǎo)體激光器模塊組1和散熱器2。半導(dǎo)體激光器模塊組1選用半導(dǎo)體激光器模塊15、16、17、18、19排列組成；半導(dǎo)體激光器模塊15、16、17、18、19是預(yù)先進(jìn)行測試、老化后篩選出的已知性能好的半導(dǎo)體激光器模塊。半導(dǎo)體激光器模塊15、16、17、18、19可通過螺絲固定在散熱器2上也可以通過焊
接的方式固定在散熱器上。半導(dǎo)體激光器模塊15、16、17、18、19分別選用芯片4和襯底5組成。芯片4選用的是7個微型巴條芯片連接組成。上述襯底5的材質(zhì)為高導(dǎo)熱率材料。上述散熱器2可以選用高導(dǎo)熱率的材料傳導(dǎo)制冷。本實施例三的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源測試結(jié)果圖見圖9。在溫度為58°C，輸入電流為20Hz，200us, 200A時，其功率曲線如圖9，電光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)47.01%， 峰值功率為5189. 38ff0綜上，本發(fā)明的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源中半導(dǎo)體激光器模塊可預(yù)先測試、老化后篩選出性能已知好的半導(dǎo)體激光器模塊，其可單獨封裝，測試，老化，可單獨拆裝、控制、靈活組合，可選擇不同的芯片進(jìn)行組合，實現(xiàn)多波長寬光譜輸出。若某個模塊出現(xiàn)異常，可單獨更換，使得本發(fā)明的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源的成品率高、壽命長。
權(quán)利要求
1.一種組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源，包括半導(dǎo)體激光器模塊組和散熱器， 其特征在于所述半導(dǎo)體激光器模塊組是由一個或多個半導(dǎo)體激光器模塊組成，其中每一個半導(dǎo)體激光器模塊均通過活動鏈接方式或焊接方式固定于散熱器上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種組合式高功率半導(dǎo)體激光器泵浦源，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器模塊由芯片和與芯片焊接的襯底組成，襯底通過活動鏈接方式或焊接方式固定于散熱器上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器模塊組是由多個半導(dǎo)體激光器模塊串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)結(jié)合構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源，其特征在于所述的半導(dǎo)體激光器模塊是經(jīng)過測試、老化、篩選后的半導(dǎo)體激光器模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源，其特征在于所述的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源的形狀與增益介質(zhì)的形狀或需求匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源，其特征在于所述的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源的形狀為環(huán)形、多邊形、長方形、正方形或菱形。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源，其特征在于所述芯片是單管芯片、微型巴條、巴條或者由多個單管芯片、多個微型巴條、多個巴條芯片連接組成的芯片模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源，其特征在于所述散熱器是高導(dǎo)熱率散熱基座、液冷散熱器或者半導(dǎo)體制冷散熱器。
9.一種組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源的制備方法，包括以下步驟(1)將單管芯片、微型巴條、巴條或者多個單管芯片組或者多個巴條芯片安裝在襯底上，組成一個或分別組成多個半導(dǎo)體激光器模塊；(2)將半導(dǎo)體激光器模塊進(jìn)行測試、老化、篩選；(3)將篩選后合格的一個或多個半導(dǎo)體激光器模塊安裝在散熱器上，制成組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于步驟(3)之前，先根據(jù)增益介質(zhì)的形狀或需求整體設(shè)計組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源的形狀。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制備方法，其特征在于步驟(3)的安裝是指將襯底通過活動鏈接方式或焊接方式固定于散熱器上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的半導(dǎo)體激光器泵浦源的成品率低、合格率低，拆裝維護(hù)不便、壽命較短等技術(shù)問題。該側(cè)面泵浦源包括半導(dǎo)體激光器模塊組和散熱器，所述半導(dǎo)體激光器模塊組是由一個或多個半導(dǎo)體激光器模塊組成，其中每一個半導(dǎo)體激光器模塊均通過活動鏈接方式或焊接方式固定于散熱器上。本發(fā)明中半導(dǎo)體激光器模塊可預(yù)先進(jìn)行測試、老化、篩選，可單獨封裝，測試，老化，可選擇不同的芯片進(jìn)行組合、控制，實現(xiàn)多波長寬光譜輸出。泵浦源在使用過程中若某個模塊出現(xiàn)異常，可單獨更換，使得本發(fā)明的組合式高功率半導(dǎo)體激光器側(cè)面泵浦源的成品率更高、壽命更長。
文檔編號H01S5/024GK102208751SQ20111012435
公開日2011年10月5日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月16日
發(fā)明者劉興勝, 宗恒軍, 康利軍, 張彥鑫, 王警衛(wèi) 申請人:西安炬光科技有限公司