一种半导体激光器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种半导体激光器，至少包括半导体激光管、驱动模块、准直透镜、金属支架和封装材料；所述半导体激光器内各部件的布设使得从金属支架输入的电信号，经驱动模块的整形和放大后驱动半导体激光管，半导体激光管发射出的激光再经过准直透镜，准直透镜将激光准直成发散角非常小的光束射出；准直透镜是利用封装材料做成的，即在制作准直透镜的同时将半导体激光管、驱动模块、金属支架封装在一起，从而使上述各部件成为一个整体。本发明提出的上述半导体激光器体积小、输出光脉冲宽度小，驱动电压较大。
【专利说明】一种半导体激光器
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光器技术、激光器驱动技术、光束整形技术以及封装【技术领域】，尤其涉及一种半导体激光器。
【背景技术】
[0002]大功率半导体激光器是科研、工业和军事领域的一种重要激光光源，常被用在导弹和炮弹的近炸引信中。这种激光器的特点是效率高、体积小、重量轻等。由于对精准度的限制，需要半导体激光器满足峰值功率大、脉冲宽度小的要求；同时为了达到军事上应用的标准，还要求半导体激光器具有体积小、抗冲击性强的特点。 [0003]通常情况下，用于激光近炸引信的半导体激光器包括半导体激光管、驱动电路、光束准直系统三个部分。各个功能部件分别制作、分别封装，再单独进行使用。
[0004]对于某些类型的导弹和炮弹来说，由于其本身体积就不大，不会留出太多空间安装近炸引信。如果激光近炸引信能够在保证功能参数的同时，大幅度减小体积，那么无疑将会对这种小口径武器的发展产生重大影响，使其在功能上更加多样化并且更具有应用前
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[0005]目前，驱动模块主要采用PCB(印刷电路板)工艺进行加工制作。由于半导体激光器要求功率较大，因此驱动电路并不适于完全采用集成电路的形式制作，这就不可避免地使驱动模块的体积较大。这样不仅无法满足引信对体积上的要求，而且还使得驱动电路中各元器件之间的距离加大，从而引入了感抗、容抗和阻抗等寄生效应。寄生效应会破坏信号的完整性，最直接的影响是使得电路无法获得脉冲宽度足够窄、峰值电压足够高的信号。因此，如何减小驱动模块的体积，并缩短驱动模块与半导体激光器之间的距离，是大功率激光器面临的问题之一。
[0006]半导体激光器工作时，其出射激光有较大的发散角，在平行结方向大概有15°，而在垂直结方向大概是30°。在输出功率一定的情况下，发散角越大，单位面积上的光强就越弱，激光可以透射的距离就越短。因此，实际应用中要求激光器最终出射的激光的发散角越小越好。当发散角为零度时，出射激光为平行光。光束准直系统是用于压缩激光发散角的一种光学元件。目前，利用各种透镜，世界各地的学者已经设计出很多种光束准直系统。但这些光束准直系统一般都与半导体激光器分离，需要通过其他方式来放置和对准。
[0007]由于上面提到的半导体激光器各个功能部件是分开封装的，这样不仅体积较大，寄生效应较大，而且制作流程比较复杂，降低了系统的稳定性。
【发明内容】
[0008]为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种半导体激光器。
[0009]根据本发明一方面，其提供的半导体激光器，至少包括半导体激光管、驱动模块、准直透镜、金属支架和封装材料；所述半导体激光器内各部件的布设使得从金属支架输入的电信号，经驱动模块的整形和放大后驱动半导体激光管，半导体激光管发射出的激光再经过准直透镜，准直透镜将激光准直成发散角非常小的光束射出；准直透镜是利用封装材料做成的，即在制作准直透镜的同时将半导体激光管、驱动模块、金属支架封装在一起，从而使上述各部件成为一个整体。
[0010]本发明提出的上述半导体激光器利用封装材料，将上面提到的金属支架、驱动模块和半导体激光管进行封装，同时制作出光束准直透镜，其整个系统体积可以小于
08mmX 15mm，输出光脉冲宽度小于20ns，并且根据所使用的半导体激光管的类型，可以提供0-20V的驱动电压，0-36A的电流强度。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明中半导体激光器的总体结构示意图。
[0012]图2是本发明优选实施例中半导体激光管的贴装形式示意图。
[0013]图3是本发明优选实施例中驱动模块的电路结构示意图。
[0014]图4是本发明优选实施例中驱动模块的制作示意图。
[0015]图5是本发明中半导体激光器的制作和封装示意图。
[0016]图6是本发明优选实施例中设计光束准直透镜时所使用的坐标图。
[0017]图7示出了本发明中光束准直透镜的计算原理图。
【具体实施方式】
[0018]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0019]图1示出了本发明提出的半导体激光器的总体结构图。所述的半导体激光器是一种所有功能部件都被封装材料包裹而成的器件，其具有信号整形、信号放大、发射激光、光束准直或整形功能。其外观为圆柱形，而出光端面为椭球形。如图1所示，该半导体激光器包括金属支架1、驱动模块2、半导体激光管3、光束准直透镜4和封装材料5。所述半导体激光器内各部件的布设使得从金属支架输入的电信号，经驱动模块2的整形和放大后驱动半导体激光管3，半导体激光管3发射出的激光再经过准直透镜4，准直透镜4将激光准直成发散角非常小的光束射出；准直透镜4是利用封装材料做成的，即在制作准直透镜的同时将半导体激光管、驱动模块、金属支架封装在一起，从而使上述各部件成为一个整体。
[0020]所述金属支架I不仅用于支撑半导体激光管3和驱动模块2，还用于半导体激光管和驱动模块的散热以及输入电信号的传输。
[0021]所述驱动模块2用于给半导体激光管3提供电驱动信号的电路，可以将输入的电压幅度较小的方波信号，或者有一定频率的上升沿信号，转变为具有大的驱动能力的、可以提供大电流或者大电压的窄脉冲信号；驱动模块2可以利用印刷电路板、多芯片模块或者集成电路的方式制作而成，其体积小、连线短、寄生效应小；驱动模块2的输出电脉冲的脉冲宽度小于20ns，脉冲峰值电压可达20V。
[0022]所述半导体激光管3是一种端面发射的量子阱激光器，其为功率大，并且可以根据实际需要采用单芯或者多芯结构。本发明优选实施例中所使用的半导体激光管3是单芯结构的半导体量子阱激光器。
[0023]所述准直透镜4用于光束准直或者光束整形的部件，可以将半导体激光管发射出的大发散角激光准直或者整形为小发散角激光；其形状为椭球形，理论上可以将具有一定发散角的出射激光准直为平行光，实际出射光的发散角小于I度。
[0024]所述封装材料5是一种透明的环氧树脂，它由两种材料在高温条件下反应凝固而成。
[0025]图2示出了本发明优选实施例中半导体激光管的贴装方式示意图。如图2所示，半导体激光管3的负极直接倒扣贴与金属支架I的顶端处，而激光器正极通过金丝11连接到金属支架I上的输入信号处。
[0026]图3示出了本发明优选实施例中驱动模块电路结构图。如图3所示，驱动模块2包括:电容6、电阻7、施密特触发器裸芯片8和功率场效应晶体管裸芯片9。驱动模块2可以通过印刷电路板(PCB)、多芯片模块(MCM)、集成电路(IC)的方式制作，也可以结合上述的多种方式进行制作。半导体激光管3直接粘接到金属支架I中，通过金丝或者金属支架I的一部分与驱动模块2的电路接口 12相连，并与功率场效应晶体管裸芯片9导通。本发明优选实施例中的半导体激光管3是一种单芯结构的砷化镓量子阱半导体激光器。
[0027]图4示出了本发明优选实施例中驱动模块的制作模式示意图。如图4所示，为了缩小体积，使用多芯片模块与印刷电路板相结合的方式制作所述驱动模块2。首先使用薄型(厚度小于0.8mm)印刷电路板(PCB)工艺将图3所示电路中的电容6、电阻7、施密特触发器裸芯片8和功率场效应晶体管裸芯片9的位置标示出来，并制作这些元件粘接时所用的焊盘以及各个焊盘之间的连接线路，然后使用导电胶和焊锡，将各个元器件粘接到PCB中，使用金丝13连接(绑定)施密特触发器裸芯片8和功率场效应晶体管裸芯片9上的焊盘以及PCB上的焊盘。此外，在所述印刷电路板上还制作有电路接口 12，用于连接驱动模块2以及金属支架1，电路接口 12的位置可根据实际需要并配合金属支架I的形状来设置。此时驱动模块部分制作完成。
[0028]根据制作的驱动模块中的电路接口 12的位置，设计金属支架1，使金属支架I的一部分正好位于电路接口 12的下面，以便于外部输入的电信号顺利传输到驱动模块2中，并且在金属支架上预留放置半导体激光管3的位置。金属支架I的作用有:一是支撑驱动模块2和半导体激光管3 ;二是连接外部电信号和驱动模块2中的电路接口 12 ;三是为驱动模块2和半导体激光管3提高散热作用。任何能起到以上作用的形状都可以被制作成为符合要求的金属支架I。金属支架I是厚度为0.5mm的黄铜片，其形状可以通过冲压或者腐蚀的方式制作而成。金属支架I的形状需要与电路接口 2的位置相配合，从而保证电信号顺利从外部传输到驱动模块2中。
[0029]金属支架I制作完成后，即可将驱动模块2和半导体激光管3粘接到金属支架的相应位置上。
[0030]图5示出了本发明中驱动模块和半导体激光管的制作封装示意图。图5所示是由多个基本单元排列而成的金属支架条，每个基本单元为一个驱动模块2。半导体激光管3的两个电极中的正极(或负极)一般利用导电胶粘接到金属支架的相应位置，并在高温条件下使导电胶固化，另外的负极(或正极)则利用金丝连接(绑定)到金属支架I的相应位置上。利用焊锡将驱动模块2中的电路接口 12和金属支架I进行连接和固定，便可完成驱动模块2的安装。将驱动模块2和半导体激光管3粘接到金属支架I后，将金属支架I插入模具10中，然后将混合好的并去除气泡的环氧树脂即封装材料5灌入模具中，在高温条件下(130°C )进行烘干，固化后取出，并将金属支架I和模具10分离，此时金属支架I上便会得到所设计好的半导体激光器，如图1所示。
[0031]图6示出了本发明中的光束准直透镜的结构示意图。图7示出了本发明中光束准直透镜的计算原理图。如图6所示，所述光束准直透镜的形状为椭球形。如图7所示，将半导体激光管3看作是点光源，根据费马原理，图7中的两条出光路径①和②的光程(半导体激光管3出光点到plane A的光程)相等，满足以下关系:
[0032]
【权利要求】
1.一种半导体激光器，其至少包括半导体激光管、驱动模块、准直透镜、金属支架和封装材料；所述半导体激光器内各部件的布设使得从金属支架输入的电信号，经驱动模块的整形和放大后驱动半导体激光管，半导体激光管发射出的激光再经过准直透镜，准直透镜将激光准直成发散角非常小的光束射出；准直透镜是利用封装材料做成的，即在制作准直透镜的同时将半导体激光管、驱动模块、金属支架封装在一起，从而使上述各部件成为一个整体。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于， 所述驱动模块用于给半导体激光管提供电驱动信号的电路； 所述准直透镜用于光束准直或者光束整形，其将半导体激光管发射出的大发散角激光准直或者整形为小发散角激光。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述驱动模块将输入的电压幅度较小的方波信号，或者有一定频率的上升沿信号，转变为具有大的驱动能力的、可以提供大电流或者大电压的窄脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述驱动模块利用印刷电路板、多芯片模块或者集成电路的方式制作而成。
5.根据权利要求3或4所述的半导体激光器，其特征在于，所述驱动模块的输出电脉冲的脉冲宽度小于20ns，脉冲峰值电压为20V。
6.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述准直透镜的形状为椭球形，其出射光的发散角小于I度。
7.根据权利要求1所述的半导体激光管，其特征在于，其为端面发射的量子阱激光器，采用单芯或者多芯结构。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述金属支架用于支撑半导体激光管和驱动模块，还用于半导体激光管和驱动模块的散热以及输入电信号的传输。
9.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述封装材料是一种透明的环氧树脂，它由两种材料在高温条件下反应凝固而成。
10.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，其是一种所有功能部件都被封装材料包裹而成的器件，其外观为圆柱形，而出光端面为椭球形。
【文档编号】H01S5/06GK103647214SQ201310750890
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】罗达新, 赵柏秦 申请人:中国科学院半导体研究所