专利名称：带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光器模块，具体的讲，涉及具有多种检测传感器和保护装 置的半导体激光器模块。
背景技术：
作为一种极有潜力的新型肿瘤治疗技术，光动力疗法是集激光技术、光导技术、光 信息处理等多项技术组成的高科技技术，大功率半导体激光器是光动力疗法中最核心的设 备，其技术含量也是最高的，生产光纤末端输出功率大于2W的630nm激光器是目前国内外 的一个技术瓶颈，根据目前国内外半导体激光器制造业的技术和能力，630nm波长附近单 个激光管芯输出功率大都在200-300mW以下，而最终我们的系统要求的光功率却要小于或 等于10W(考虑各级耦合、传输损耗)，甚至更高光功率。所以在完成管芯后，必须采用一些 特殊的技术将多个激光管芯输出进行合成以得到大功率。目前业界一般是采用两种方法 来解决激光耦合问题一种方式是每个管芯分别耦合至单根小孔径光纤，然后再形成光束 (Bundle)输出，如下图IA所示采用这种方式的激光器存在以下缺点当光纤末端需要达到较大能量时至少需要 多个个单管串联或者并联，每个激光器还要激光电源单独供电，然后由多根小孔径光纤形 成合束，因此体积庞大、输出光纤芯径粗、故障率高、成本高。另一种方式是激光器本身采用 阵列(Bar)形式，然后通过一组光学组件系统将能量耦合到一根较小孔径的输出光纤中， 如图3所示。优点是体积小、高输出功率、高耦合效率，光斑直径小、稳定性好，较易驱动和 控制。本系统采用第二种方式，采用传导冷却单阵列光纤耦合制作成激光模块。而传统的激光器一般只集成封装有温度传感器或光电检测二极管，不能更好地满 足特别是在医疗手术中的实际应用，故障率高，
实用新型内容本实用新型的目的在于提供具有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器，在 模块中集成了传统激光器所无法具备的多种检测和保护功能，以解决激光医疗的实际使用 情况中全过程的实时监控，保证激光器更加稳定地运行。为了实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案本实用新型的带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器模块，包括基板， 基板上设置有半导体激光器单元，其用于产生激光并安装于基板，在该单元的临近位置设 置有温度传感器，该温度传感器用于检测激光器的实际工作温度，为恒温控制和过温报警 提供温度检测采样信号；在基板上与半导体激光器单元出射位置设置有光功率传感器，其 作用是检测激光器的实际光功率，为外部提供激光功率反馈采样信号；包括光学聚焦镜组、 偏振耦合器、快慢光轴准直模块组成的光学组件，设置于半导体激光器单元的出射光路轴 线上，作用是将半导体激光器产生的激光通过该光学组件聚焦发射于光纤连接器的中心轴 上，同时保证当外部光纤旋接到光纤连接器时，能聚焦于光纤中心端面上，达到最大的光传输效率；同时在光纤连接器通道中设有光纤插入检测传感器和光纤接口温度传感器，用来 检测输出端光纤是否衔接不良或接口因此引起的温度过高，并将检测到的信号反馈给设备 中的控制系统进行处理。还可以独立的或同时在基板中集成指示光光源、可置换保护窗口及光反射反馈窗本实用新型的首先是制作半导体激光器单元筛选半导体激光管管芯芯片，以镀 金的长方体热沉作为中间载体，以整片的方式在热沉上蒸镀焊料，利用焊料在每个热沉单 位上粘结半导体激光器管芯芯片，粘结完毕后一起放入合金炉，采用金锡焊料，在^(TC 300°C及通氮气保护条件下烧结10秒 60秒，将烧结后粘有芯片的热沉单位从整片热沉片 上切割下来，利用银浆单阵列排布粘结到合金铜层平面边缘上，在半导体激光器管芯芯片 的N面电极上键合金线，将金线连接阴极管脚上，合金铜层作为正极。芯片之间采用并联阵 列排布，整体固定在密封的金属盒内，同时粘结好温度传感器、光功率传感器、光纤插入探 测传感器和指示光光源部件等，并将其引线由信号排线接口集合最为信号线输出接口。通 过一组光学自建系统，调节好光学聚焦点，将激光能量耦合到光纤连接器(SMA905接口)标 准输出接口，保证最高的传输效率。本实用新型的有益效果在于，可以结合激光医疗的实际使用情况，在模块中集成 了传统激光器所不具备的多种检测和保护功能，如可置换保护窗口、光纤接口温度传感器、 光功率传感器、光纤插入检测传感器、光学组件及光反射反馈窗口等。优点是高输出功率、 高耦合效率、体积小、寿命长、稳定性好，可以实现工作全过程实时监控，保证了激光器在系 统中更加安全可靠的运行。
图1为依照现有技术的光纤耦合的原理示意图。图2为依照本实用新型的一种具体实施方式
的带有多种检测传感器和保护装置 的半导体激光器模块主要部件半导体激光器单元的结构侧视图；图3为依照本实用新型的一种具体实施方式
的带有多种检测传感器和保护装置 的半导体激光器模块主要部件半导体激光器单元的结构立体图图4为安装了依照本实用新型的一种具体实施方式
的带有多种检测传感器和保 护装置的的整体模块的结构示意图。图5为依照本实用新型的一种带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器 模块内部主要部件和传感器信号弓丨线连接图。图6为依照本实用新型的一种带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器 模块采用其光学原理及具体实施三种应用举例。
具体实施方式
图2、图3为示出了本实用新型的主要部件，即半导体激光器单元10的结构示意 图，参照图2、3，该半导体激光器单元10包括一热沉即半导体激光器正极104，压接于该热 沉上的相互电隔离的半导体激光器负极103，以及设置于半导体激光器正极104上的半导 体激光器管芯芯片阵列102。该半导体激光器正极可以是合金铜层，保证激光器在运行过程中所产生的热量由该热沉传导。激光器管芯负极通过金线拉丝焊接到激光器负极103上面 或者直接表面压接，半导体激光器正极104和半导体激光器负极103通过铜螺柱13、铜螺 柱14延伸固定至外壳基板100，参见图4，同时使用塑料件保证正负极性间的良好绝缘，铜 螺柱14和铜螺柱13作为激光器供电的外部电源正负极输入端子。A为半导体激光器管芯 芯片阵列102射出的激光束和方向。该半导体激光器单元10的制作方式如下首先筛选半导体激光管管芯芯片，以 镀金的长方体热沉作为中间载体，此后，以整片的方式在热沉上蒸镀焊料，利用焊料在每 个热沉单位上粘结半导体激光器管芯芯片，粘结完毕后一起放入合金炉，采用金锡焊料， 在280°C 300°C及通氮气保护条件下烧结10秒 60秒，将烧结后粘有芯片的热沉单位 从整片热沉片上切割下来，利用银浆单阵列排布粘结到合金铜层平面边缘上，在半导体激 光器管芯芯片的N面电极上键合金线，将金线连接阴极管脚上，合金铜层作为正极，芯片之 间采用并联阵列排布，数量可以单个或者多个并联。该半导体激光器波长范围为375nm 980nmo如图4和图5所示，该带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器模块，包括 基板100，基板100上设置有半导体激光器单元10，其用于产生激光并安装于基板，在该单 元10的临近位置设置有温度传感器20，该温度传感器20用于检测激光器的实际工作温度， 为恒温控制和过温报警提供温度检测采样信号；在基板上与半导体激光器单元出射位置设 置有光功率传感器30，其作用是检测激光器的实际光功率，为外部提供激光功率反馈采样 信号；包括光学聚焦镜组87、偏振耦合器88、快慢光轴准直模块89组成的光学组件，如图 4、6所示，设置于半导体激光器单元10的出射光路轴线上，作用是将半导体激光器产生的 激光通过该光学组件聚焦发射于光纤连接器40的中心轴上，同时保证当外部光纤旋接到 光纤连接器40时，能聚焦于光纤中心端面上，达到最大的光传输效率，由图6示意图应用举 例可以看到，从半导体激光器管芯所发射出的激光束，经过光学组件进行准直、排列、聚焦 转变后，耦合到光纤连接器40中心轴向的焦点，当外部光纤通过光纤连接器衔接到该焦点 时，保证该焦点上的激光能量汇聚于外部光纤中心端面重合。该方法比光束(Bundle)输出 形式输出的激光器而言，可以并联更多数量的激光器管芯且管芯间阵列排列封装，最大优 点是高功率、小体积；同时在基板100中还集成了指示光光源11，指示光所发射的光通过 镜组86反射进入偏振耦合器88，最后通过聚焦镜组87可与半导体激光器所发射的光同时 耦合进入外接光纤中，该指示光光源在医疗手术过程中具有靶向定位和治疗指引的重要作 用。光纤连接器40可以是SMA或者FC接口，偏振耦合器8和镜组86呈45°安装。在光纤连接器40通道中设有光纤插入检测传感器50和光纤接口温度传感器60， 用来检测输出端光纤是否衔接不良或脱落，以及接口因此引起的温度过高，并将检测到的 信号反馈给设备中的控制系统进行处理，保证激光器的最大传输效率和安全地运行。这两 个传感器为激光器有效传输提供检测信号，更好地保护了激光器。可置换保护窗口 70安装于光纤连接器40后端，主要作用是为了当频繁连接外部 光纤时，异物和灰尘极易通过光纤连接器40通道进入光学组件80腔体中，阻碍了轴向光学 传输通道，严重影响传输效率。用此保护窗口可以保证腔体与外部的有效隔离；其二，为了 对污染面进行清洁和更换，该保护窗口是嵌入式的固定于基板100，方便拆卸和更换。光反射反馈窗口 90设置在偏振耦合器88的一个分支光路上，其作用是在激光在5传输过程中，当有激光由于外界原因反射时通过偏振耦合器88反射到该光反射反馈窗口， 为外部提供激光反射反馈光信号。方便控制系统用此功能进行检测和控制。整个模块采用密封封装，内部充有氮气，目的是为了防止在制冷的作用下半导体 激光器由于温差而产生结露现象，从而在工作过程中损坏激光器。所述的半导体激光器可以为单个或阵列排布直接焊接在热沉上激光条。所述的光纤插入探测传感器可以是机械式的或者是光电式的。所述的激光管温度传感器是负温度系数热敏电阻(NTC)或正温度系数热敏电阻 (PTC)。所述的光功率传感器是光电二极管(PD)类型的光电式传感器。所述的指示光光源是波长范围为375 SOOnm的激光光源或LED光源。
权利要求1.一种带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器模块，其特征在于包括基板 (100)，基板(100)上设置有半导体激光器单元(10)，其用于产生激光并安装于基板，在该 单元(10)的临近位置设置有温度传感器(20)，该温度传感器00)用于检测激光器的实际 工作温度，为恒温控制和过温报警提供温度检测采样信号；在基板上与半导体激光器单元 出射位置设置有光功率传感器(30)，其作用是检测激光器的实际光功率，为外部提供激光 功率反馈采样信号；包括光学聚焦镜组(87)、偏振耦合器(88)、快慢光轴准直模块(89)组 成的光学组件，设置于半导体激光器单元(10)的出射光路轴线上，作用是将半导体激光器 产生的激光通过该光学组件聚焦发射于光纤连接器GO)的中心轴上，同时保证当外部光 纤旋接到光纤连接器GO)时，能聚焦于光纤中心端面上，达到最大的光传输效率；同时在 光纤连接器GO)通道中设有光纤插入检测传感器(50)和光纤接口温度传感器(60)，用来 检测输出端光纤是否衔接不良或接口因此引起的温度过高，并将检测到的信号反馈给设备 中的控制系统进行处理。
2.如权利要求1所述带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器模块，其特征 是还包括可置换保护窗口(70)，其安装于光学组件(80)与光纤连接器00)之间，主要作 用是为了当频繁连接外部光纤镜面有灰尘或者污垢残留时方便更换。
3.如权利要求1所述带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器模块，其特征 是还包括光反射反馈窗口(90)，其设置在偏振耦合器(88)的一个分支光路上，其作用是 在激光在传输过程中，当有激光反射时通过偏振耦合器(洲)反射到该光反射反馈窗口，为 外部提供激光反射反馈。
4.如权利要求1所述带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器模块，其特征 是所述的半导体激光器为单个或阵列排布直接焊接在热沉上激光条。
5.如权利要求1所述带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器模块，其特征 是所述的光纤插入探测传感器可以是机械式的或者是光电式的。
6.如权利要求1所述带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器模块，其特征 是所述的激光管温度传感器是负温度系数热敏电阻NTC或正温度系数热敏电阻PTC。
7.如权利要求1所述带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器模块，其特征 是所述的光功率传感器是光电二极管PD类型的光电式传感器。
8.如权利要求1所述带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器模块，其特征 是所述的指示光光源是波长范围为375 SOOnm的激光光源或LED光源。
专利摘要本实用新型涉及带有多种检测传感器和保护装置的半导体激光器模块，包括半导体激光器，激光管温度传感器，光纤接口温度传感器，光功率传感器，光纤插入检测传感器，指示光光源，可置换保护窗口，光学组件及光反射反馈窗口。由于在激光模块中封装多种检测传感器和保护装置，可以实现控制系统对激光器更有效的实时地控制和监测，从而保证激光器更加稳定地运行，同时采用了半导体激光芯片阵列封装和系列光学组件耦合，使激光器输出功率高；优点是高输出功率、高耦合效率，体积小、寿命长、稳定性好。
文档编号H01S5/026GK201829809SQ20102024417
公开日2011年5月11日 申请日期2010年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者吴荣亮, 杜毅 申请人:深圳市雷迈科技有限公司