一种用于产生远距离圆光斑的半导体激光器模块的制作方法

本实用新型涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种用于产生远距离圆光斑的半导体激光器模块。

背景技术：

半导体激光器由于具有体积小、重量轻、效率高、寿命长的优点，已经成为发展最快、应用最广的核心器件应用在各个领域。半导体激光器的一个重要应用的就是红外照明领域，该领域通常要求光斑形态为规则且均匀的圆形光斑。半导体激光器发出的激光具有一定的发散角，通常快轴发散角大于慢轴发散角（快轴发散角约为70°，慢轴发散角约为16°），因此，其输出光斑形状呈椭圆形，如图1所示，其中，1为激光芯片单元，2为椭圆形光斑，水平双向箭头代表慢轴方向，垂直双向箭头代表快轴方向。

在红外照明的应用中，半导体激光器的光源部分可以为单管模块、也可以为横向或纵向的单管阵列模块，这两种方式的远距离输出光斑均为长椭圆形。为了满足红外照明的对光斑的要求，通常需要使用光学透镜对光斑进行光学整形，并且通过粘胶的方式将光学透镜与器件固定到一起，如图2所示，其中，3为光学透镜，4为圆光斑。

但是这种方法存在以下不足：

第一，通过粘胶的方式（一般为UV胶）将光学透镜与器件固定到一起，使得在高低温循环过程中，胶材质的热胀冷缩会导致光学透镜的位置出现微偏差，进而影响输出光斑的发散角与指向性，即：使光斑的形状与位置出现偏差。若通过温度调节设备对器件进行温度控制，则势必增加整套系统的体积以及成本。

第二，光学透镜的使用无疑会增加产品成本，若使用微透镜，成本更高。并且UV胶的使用，降低了产品的温度适应性。一般UV胶能够承受的温度范围为-50℃~100℃，超过此温度范围，UV胶易于出现变性，其可靠性与寿命将出现下降。对于特殊应用条件，如高温高湿（85%相对湿度，85℃温度）、或宇宙射线等，有胶产品的寿命与可靠性远低于无胶产品。

另外，现有技术中，有将激光芯片模块排列成中心对称的多边形的形式，以此产生远距离圆光斑。这种方式虽然省去了光学整形部件，但是模块整体体积较大，也不够轻便。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例的主要目的在于提供一种用于产生远距离圆光斑的半导体激光器模块，主要应用场景之一为远距离激光照明，以及其他需要远距离圆光斑的场景，本实用新型实施例的方案能够在省去光学整形部件的情况下，在远距离产生均匀规则的圆光斑，并且体积小、重量轻，具有更高的可靠性与寿命。

为达到以上技术效果，本实用新型实施例的方案如下所示：

本实用新型实施例提供一种用于产生远距离圆光斑的半导体激光器模块，包括：热沉、多个激光芯片单元；所述热沉，用于为所述多个激光芯片单元散热；所述多个激光芯片单元设置于热沉上，并排列为阵列形式；所述阵列构成的形状呈非中心对称，并使得多个激光芯片单元发出的激光呈现圆光斑。

上述方案中，以与激光芯片单元的发光方向垂直、且与激光芯片单元相交的直线为法线，所述法线位于热沉平面上，每个激光芯片单元与相对应法线的夹角相同。

上述方案中，所述多个激光芯片单元排列为阵列形式，具体为：第一个激光芯片单元所对应的法线，与最后一个激光芯片单元所对应的法线构成的夹角大于或等于180°。

上述方案中，所述阵列构成的呈非中心对称的形状包括：满足第一个激光芯片单元所对应的法线，与最后一个激光芯片单元所对应的法线构成的夹角大于或等于180°的弧形、或规则多边形、或不规则多边形。

上述方案中，所述热沉上开设有多个用于放置激光芯片单元的凹槽，所述激光芯片单元分别设置于所述各个凹槽内。

上述方案中，所述激光芯片单元包括：激光芯片、衬底；所述激光芯片经焊料键合于所述衬底之上。

上述方案中，所述衬底包括：激光芯片键合面、激光芯片单元键合面、电极连接面；其中，所述激光芯片键合面，设置于所述衬底的上表面，用于放置待键合的激光芯片；所述激光芯片单元键合面，设置于与所述衬底上表面相对的下表面，用于实现激光芯片单元与热沉之间的键合固定；所述电极连接面，设置于衬底上与所述激光芯片出光方向垂直的侧面，用于通过金线连接实现相邻激光芯片单元之间的电连接。

上述方案中，所述激光芯片单元的数量为：大于或等于3。

上述方案中，所述激光芯片为单管类、或巴条类。

上述方案中，所述衬底为：铜钨、和/或覆铜陶瓷、和/或铜金刚石、和/或石墨铜、和/或石墨铝、和/或石墨烯。

本实用新型方案的有益技术效果如下：

第一，本方案不需使用光学透镜而直接获得了远距离圆光斑，因此省去了传统的利用UV胶固定光学透镜进行整形的结构设计，在降低成本的同时，有效地避免了在高低温循环过程中，由于UV胶材质热胀冷缩而引起的光学透镜的位置偏差，进而大大提高了光斑的指向性和发散角的稳定性。

第二，UV胶的省去，在另一方面大幅度提高了产品的温度适应性，在焊料合适的情况下，产品的适用温度范围可以扩展到-100℃-150℃；并且，对于特殊应用场合，例如高温高湿、或宇宙射线，无UV胶、且实现全部键合的产品具有更高的可靠性与寿命。

附图说明

图1为现有半导体激光器模块的光斑示意图；

图2为现有半导体激光器模块光斑整形示意图；

图3为本实用新型半导体激光器模块立体图；

图4a-4e为本实用新型半导体激光器模块的光斑示意图；

图5为本实用新型激光芯片单元的示意图一；

图6为本实用新型激光芯片单元的示意图二。

附图标记说明：1为激光芯片单元，2为椭圆形光斑，3为光学透镜，4为圆光斑，5为热沉，6为金线，7为凹槽，8为连接电极，11为激光芯片，12为衬底，13为激光芯片键合面，14为激光芯片单元键合面，15为电极连接面，16为第一条法线，17为中间一条法线，18为最后一条法线。

具体实施方式

本实用新型实施例提供一种用于产生远距离圆光斑的半导体激光器模块，如图3所示，所述模块可以包括：热沉5、多个激光芯片单元1；其中，所述热沉5，用于为所述多个激光芯片单元1散热，所述多个激光芯片单元1设置于所述热沉5上，并排列为阵列形式，所述阵列构成的形状呈非中心对称，使得多个激光芯片单元发出的激光在远距离上呈现圆光斑；这里需说明的是，“所述阵列构成的形状”指的是：多个激光芯片单元构成的阵列在整体上所呈现出的形状；该形状呈非中心对称，也即该形状所构成图形为非中心对称图形。

本实用新型实施例中的激光芯片单元包括：激光芯片、衬底；所述激光芯片经焊料键合于所述衬底之上。这里，衬底的设置主要用于与激光芯片的CTE（热膨胀系数）相匹配，另一方面，衬底上所设置的各键合面或连接面还用于实现相邻激光芯片单元之间的电连接。

以下主要对阵列的排列形式做详细介绍。

首先，需定义法线。本实用新型实施例中，以与激光芯片单元的发光方向垂直、且与激光芯片单元相交的直线为法线，所述法线位于热沉平面上，每个激光芯片单元与相对应法线的夹角相同（以保证各激光芯片单元的发光方向一致，本实用新型实施例以90°为例进行举例说明）。具体的，所述多个激光芯片单元排列为阵列形式，可以为：第一个激光芯片单元所对应的法线，与最后一个激光芯片单元所对应的法线构成的夹角大于或等于180°。并且，由相邻两条法线构成的各个夹角可以相等（为形成远距离均匀圆光斑的优选条件），当然也可以不等。

这里，对上述进行解释说明：结合图3、图4a-4e，图3中箭头所示方向为激光芯片单元的发光方向，设定16为第一个激光芯片单元所对应的法线，17为中间一个激光芯片单元所对应的法线，18为最后一个激光芯片单元所对应的法线，16与18两条法线构成的夹角大于180°。可以看出，各个法线与激光芯片单元的发光方向垂直、且与各个对应的激光芯片单元分别相交，并且所述法线位于热沉5的平面上。

本实用新型实施例中，所述多个激光芯片单元的排列方式需满足每个激光芯片单元与相对应法线的夹角相同。进一步的，所述多个激光芯片单元排列成的阵列构成的呈非中心对称的形状可以包括但不限于：满足第一个激光芯片单元所对应的法线，与最后一个激光芯片单元所对应的法线构成的夹角大于或等于180°的弧形、或规则多边形、或不规则多边形等。这里所述的“弧形”、“规则多边形”、“不规则多边形”可以根据实际情况进行变形和扩展，只要能够满足第一个激光芯片单元所对应的法线，与最后一个激光芯片单元所对应的法线构成的夹角大于或等于180°的条件，任意形状均可。

如图3所示，所述热沉5上开设有多个用于放置激光芯片单元1的凹槽7，所述激光芯片单元分别设置于所述各个凹槽7内，各个凹槽7内的激光芯片单元排列为可在远距离形成圆光斑的多种阵列形式。

本实用新型实施例中，以激光芯片单元的数量为9（见图4a），9个激光芯片单元以一定的间距均匀排列成弧形为例进行说明，且该弧形为非中心对称图形，并且满足第一个激光芯片单元所对应的法线，与最后一个激光芯片单元所对应的法线构成的夹角大于或等于180°（图4a是稍大于180°）。需说明的是，本实用新型实施例中，虽然以多个激光芯片单元在热沉上排列成弧形为例进行说明，但这并不能说明这种方式为唯一的，在满足其他条件的情况下，当多个激光芯片单元在热沉上排列成其他形状时时，仍然可以达到本实用新型的技术效果。

例如，图4b中，多个激光芯片单元排列为弧形，与图4a不同的是，图4b中有三个激光芯片单元分别排列在相对应法线的延长线上（图4b中虚线为相对应法线延长线）。图4c中，多个激光芯片单元排列为弧形，该弧形接近圆形，但多个激光芯片单元排列成的阵列呈非对称。图4e是基于图4c的一种扩展，即多个半径互不相同的图4c中的弧形排列为圆环状，也可在远距离形成均匀圆光斑。图4d为多个激光芯片单元排列成的阵列构成的呈非中心对称的形状为不规则多边形的形状，也可在远距离形成圆光斑。

中心对称的定义是：把一个图形绕着某一点旋转180°，如果它能够与另一个图形重合，那么就说这两个图形关于这个点中心对称。

需说明的是，在本实用新型实施例中，所涉及的多个激光芯片单元排列成的非中心对称图形指的是：以多个激光芯片单元排列成的非中心对称图形为原图形，以某一个激光芯片单元为原点，将多个激光芯片单元构成的阵列在整体上所呈现出的形状绕上述原点旋转180°后，各激光芯片单元与原图形无法重合。例如，图4a-4e中的示例在绕某一原点旋转180°后，均无法与原图形重合（各激光芯片单元无法与原图形对应的激光芯片单元重合），即为非中心对称。

如图3所示，每个半导体激光器模块的激光芯片的发光方向为向上，即图中箭头所示方向，光斑形态如图中虚线所示。图4a-4e为本实用新型半导体激光器模块的光斑示意图，基于图3、图4a-4e，多个激光芯片单元在热沉上排列成弧形阵列，每个激光芯片单元发出的光斑为长条椭圆形光斑，弧形阵列中每个激光芯片单元发出的光斑进行叠加，进而形成类圆形光斑，这样在远距离处的光斑输出形状可为近似圆光斑，尤其当半导体激光器模块数量较多时，叠加成的光斑可认为是均匀的正圆形光斑。

本实用新型方案中的热沉，可以根据多个激光芯片单元排列成的形状进行适应性设计，例如：若需将多个激光芯片单元排列成半圆，则相应的，热沉的形状可以设置成半圆，也可以是其他形状，只需满足激光芯片单元排列的要求即可。另外，所述热沉5上还设置有连接电极8，用于将半导体激光器模块连接至外部电源。

进一步的，激光芯片单元可以包括：激光芯片11、衬底12，激光芯片11可以经焊料键合于所述衬底12之上，焊料可以为硬焊料（例如金锡），激光芯片可以单管类，也可以为巴条类。

所述衬底12可以为：铜钨、和/或覆铜陶瓷、和/或铜金刚石、和/或石墨铜、和/或石墨铝、和/或石墨烯。所述衬底12可以进一步包括：激光芯片键合面13、激光芯片单元键合面14、电极连接面15，如图5、图6所示。进一步的，所述激光芯片键合面13，设置于所述衬底12的上表面，用于放置待键合的激光芯片11；所述激光芯片单元键合面14，设置于与所述衬底上表面相对的下表面，用于实现激光芯片单元1与热沉5之间的键合固定；所述电极连接面15，设置于衬底上与所述激光芯片出光方向垂直的侧面，用于通过金线6连接实现相邻激光芯片单元之间的电连接。

本实用新型实施例中衬底上激光芯片键合面13、激光芯片单元键合面14、电极连接面15的设计，能够更加方便的实现相邻激光芯片单元之间的电连接。这是因为传统的设计中，电极连接面与芯片键合面为同一个平面，当多个激光芯片单元在热沉上构成环型阵列时，相邻激光芯片单元之间的电极连接面出现一定角度，增加了金线连接的难度，较难理想地实现相邻激光芯片单元之间的电连接。本实用新型的方案，衬底12上的电极连接面15与激光芯片键合面13相连，且呈90°夹角，如图5所示，这样使得各相邻激光芯片单元之间的电极连接面为平面，方便了实现了相邻激光芯片单元之间的电连接，而且加工制造简单。

本实用新型的技术方案，主要目的在于提供一种在远距离上形成圆光斑的模块，所以上述方案主要的应用之一是在激光远距离照明或红外照明上。一般来说，激光芯片单元的数量至少为3个，在满足要求的情况下，激光芯片单元的数量越多，在远距离处形成的圆光斑质量越好。

另外，本实用新型所述的“远距离”原则上是越远越好，这里我们并不对上述“远距离”的最小值或下限做进一步具体限定，这是因为激光芯片单元的排列形式不一样、相邻激光芯片单元的距离或夹角不一样，会影响到上述“远距离”的最小值或下限，所以这个“远距离”的最小值或下限要根据具体的结构形式确定。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。