[发明专利]光源

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光二极管的光机械封装，或尤其涉及将多个激光二极管片封 装入单个二极管装置中，以便提供具有单一辐射光输出的光源，所述辐射光可被光纤耦 合或者光纤准直。 背景技术

被制造成单个发射激光器或者激光二极管条(laser diode bars)的半导体激光二极 管的电-光转换效率可达到50％或者更高，并且其中目前每个单独的发射激光二极管的 光能级可以达到几瓦或者甚至几十瓦，并且每个激光二极管条的光能级可以达到几十瓦 至几百瓦。由于激光二极管和激光二极管条具有高转换效率、适当的能级以及高光谱亮 度和高方向亮度，因此激光二极管和激光二极管条可应用于许多领域，如可用于材料加 工、胶印(offset printing)、医疗、固体激光器的泵浦，并且尤其被用于光纤激光器的泵 浦。

将激光二极管封装入单个封装时需要考虑两个相关的重要问题。第一个需要考虑 的重要问题是散热。在操作时，激光二极管会产生相当大的热量，这是由于并非所有被 用于驱动激光二极管的电能都将会被转换成光能。这些未被转换的电能将以热量的形式 释放。例如当转换效率为50％并且光能级为5W时，单个激光二极管发射器将产生5W 的热量。需要对产生的热量进行散热以便确保激光二极管操作时的稳定和可靠。此外， 由于激光发射的中心波长取决于激光芯片的温度，因此通常需要将激光芯片的温度稳定 在典型精度大约为1摄氏度。

与封装相关的第二个需要考虑的重要问题是光耦合。由于激光二极管的薄板几何 构造，因此激光二极管沿Z-轴传播的光辐射沿X-轴和Y-轴的发散度和光功率密度的横 向分布非常不对称。假定标准符号X轴位于激光二极管板面内，则激光二极管沿Y-轴 的发散度通常高于沿X-轴的发散度并且几乎为受限衍射(diffraction limited)，其中激光 二极管沿X-轴的发散度通常比Y-轴的发散度小并且不是受限衍射。当要求对称的圆形 光束时，所述激光二极管光束的不对称性会造成一定的应用困难，例如在将多个激光二 极管的光辐射耦合入单根光纤的一端的应用中。因为光纤通常具有基本呈圆形或者多边 形的横截面并且具有基本对称的接受角，所以二极管激光器聚合后的光辐射具有对称的 发散度和横向功率密度分布，以便尽可能的将大量的光束耦合入光纤中。

在现有技术中公开了多种解决上述设计中存在问题的方法。例如为了提供散热， 二极管激光装置中的激光二极管或者激光二极管条通常位于公共散热器上或者与公共 散热器叠放在一起。尽管通过叠放可以提供一定的优势，例如较为简单的并且更为紧凑 的光纤排列方式，但是这种叠放方式的散热效率不如共享的公共散热器的散热效率。在 叠放排列方式中，热能以连续的方式流动，但是当提供公共散热器时，热能以并行的方 式流动可以将更多的热量散出。而另一方面，采用公共散热方式经常造成耦合光纤的体 积大并且效率低。例如，现有技术中的一种装置采用复杂的多面反射镜以将多个来自单 独的激光二极管芯片中的光束会聚。最终获得的这种装置既昂贵又难于进行光学对准。 现有技术中的其他设计方式采用波导或者复杂的阶梯状散热结构以及与结合有多面反 射镜的微镜，这些设计被用于将激光二极管发射的单束光束合成为对称的输出光束。

激光二极管的一种重要的类型是单条装置。在单条激光二极管发射器中，激光二 极管发射器在公共的半导体基板上并排地形成，并且因此允许热量平行流向公共基板。 由于二极管条中的单个发射器的横向位置采用光蚀刻技术来精确限定，因此一组简单且 可靠的预制造(pre-manufactured)微型光学元件可被用于准直而且重新配置输出激光光 束。通过这种方式制造的激光二极管，可以很容易的产生几十瓦的输出功率光束并且该 光束可以被耦合入光纤中。然而，如扭曲或者被称为条“弯曲”(smile)的其他问题会 开始引起光纤耦合效率的降低和设备可靠性的降低；此外，热量从被置于公共半导体基 板上的具有亚毫米间距的单个发射器中散出是很不容易的。尤其还存在一个涉及单条二 极管激光器(single-bar diode laser)可靠性的问题：当单个激光二极管发射器在二极管 条中突然损坏(例如由于电路短路的原因)，经常会损坏其邻近的发射器，使得整个单 条二极管激光器损坏。