面发射激光芯片的半导体激光器及半导体激光器耦合装置的制作方法

本实用新型涉及激光技术领域，尤其是一种面发射激光芯片的半导体激光器及其耦合装置。

背景技术：

当今世界，能源的紧缺唤醒了世界各国人民的节能减排意识，肩负着环保，节能减排的使命的激光逐渐被社会认可和接受。人们正通过各种途径寻求新的节能方式，随着激光制造的成本越来越低，很多领域开始使用激光。

在需求驱使下半导体激光芯片技术的不断发展和多样化，使用场景也越来越丰富，传统的边发射激光芯片（edge-emittinglaser)，其小型化、稳定相干光和窄发射波长的特点，以及丰富的使用模式---从单管，巴条到堆栈和直接半导体激光模块都已经成熟化，不过其也有一定的短板，对使用环境防水防尘要求很严格，同时侧面散热对散热成本需求非常高。边发射激光芯片是芯片端面为激发区。与此同时新型的面发射激光芯片模块也在逐渐丰富，面发射激光芯片的芯片表面为激发区，发光面积大，单颗功率更高，对环境要求也相对降低，但是芯片结构的差异性让成熟化的边发射激光器的工艺与结构模式很难直接套用到面发射激光芯片的激光器上。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种面发射激光芯片的半导体激光器及其耦合装置，解决现有面发射激光芯片发光面垂直于结平面，需要拆离模块才能耦合进水平面的光纤的问题，同时解决了拆离模块降低散热效率的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种面发射激光芯片的半导体激光器，包括若干片面发射激光芯片以及半导体激光器耦合装置；所述半导体激光器还包括散热座，所述面发射激光芯片封焊于散热座的一端且由散热座整体散热；光纤固定于散热器另一端，所述半导体激光器耦合装置安装于所述散热座上沿所述面发射激光芯片与光纤之间的光程设置，从而将面发射激光芯片的发射光转换为沿水平光轴发射并耦合至光纤，由光纤向外传输。

进一步地，所述散热座的尺寸与所述光程以及半导体激光器耦合装置相适配；面发射激光芯片、激光器耦合装置以及光纤安装散热座形成模块化结构；在散热座上面发射激光芯片的焊接处加工一个阶梯槽；若干片面发射激光芯片对齐封焊到阶梯槽斜面上，且装配面垂直光轴方向；所述半导体激光器还包括电极组件，电极组件通过点胶与面发射激光芯片配合固定且由散热座进行整体散热。

进一步地，所述面发射激光芯片通过热沉辅助焊接到散热座上而不单独拆离做散热模块，或者，所述面发射激光芯片直接贴合于散热座上；所述散热座为铜底座。

在一些实施例中，所述半导体激光器耦合装置包括第一反射镜，所述第一反射镜安装于散热座上且面对所述面发射激光芯片，面发射激光芯片的发射光的光轴经第一反射镜反射后，光轴将转换为沿水平方向前进；

所述半导体激光器耦合装置包括准直透镜，所述准直透镜安装于散热座且位于水平光轴上对发射光进行准直，且准直后沿水平光轴继续前进；

所述半导体激光器耦合装置包括第二反射镜，所述第二反射镜安装于散热座且位于所述光程中，将发射光反射后反射光沿着平面内，垂直于原光轴的另一方向的水平光轴继续前进，方向与光纤方向一致；

所述半导体激光器耦合装置包括耦合镜组件，所述耦合镜组件安装于散热座且位于所述另一方向的水平光轴，将发射光耦合至光纤端部。

在一些实施例中，每片面发射激光芯片对应一个第一反射镜、一个准直透镜以及一个第二反射镜；

所述第一反射镜可调节地安装于散热座上，以将面发射激光芯片的发射光反射后光轴转换为沿水平方向继续前进；面发射激光芯片的发射光呈发散，经第一反射镜反射后光轴水平，光束继续发散；

所述半导体激光器耦合装置包括设置于散热座上的耦合镜支架，耦合镜组件通过介质被固定到耦合镜支架；

所述散热座上还设置有准直透镜和/或第二反射镜和/或耦合镜支架的结构定位基准面，用于在散热座上定位安装准直透镜、第二反射镜、耦合镜支架；

第一反射镜、准直透镜、第二反射镜、耦合镜组件依次安装于面发射激光芯片至光纤之间的光程中，将面发射激光芯片的发射光调整至水平光轴耦合进入光纤，面发射激光芯片无需与光轴垂直地设置。

在一些实施例中，所述第一反射镜相对于所述面发射激光芯片可进行多维调节位置地安装于散热座上；

第一反射镜固定在多维调节反射镜支架上，所述多维调节反射镜支架可多维活动地与散热座之间配合；

多维调节反射镜支架调节第一反射镜与面发射激光芯片的装配距离和角度，面发射激光芯片的发射光通过第一反射镜反射沿水平光轴继续前进，且在光传导到耦合镜组件时，光不会扩散到散热座，也不偏出光轴；

所述多维调节反射镜支架通过固定柱活动地安装于散热座上，第一反射镜固定在多维调节反射镜支架的前侧正对所述面发射激光芯片；所述多维调节反射镜支架的底部开设有一条安装槽，多维调节反射镜支架通过安装槽套设于固定柱顶部，绕所述固定柱可旋转和/或俯仰地多维调节，相应带动第一反射镜旋转和/或俯仰地多维调节。

在一些实施例中，固定柱为圆柱体状，底部固定于散热座上，固定柱侧壁向外伸展地对称设置一对限位骨；一对限位骨与安装槽长度方向一致，且保留预定活动间隔地插入安装槽中，所述安装槽的长度方向贯通多维调节反射镜支架相对的侧壁；安装槽的形状与固定柱形状相适配，安装槽形成包围结构套设于圆柱体外部可相对多维活动地配合；所述安装槽顶部以及固定柱顶部的接触面为弧面，所述多维调节反射镜支架沿着弧面可前后倾斜调节从而相应调节第一反射镜的俯仰位置，安装槽包围结构的侧面用于限位倾斜移动的量；多维调节反射镜支架绕固定柱的轴向旋转实现偏转调节，从而相应调节第一反射镜的旋转位置，所述一对限位骨用于限制旋转移动量；从而实现第一反射镜的旋转与俯仰两个维度的调试；

多维调节反射镜支架顶部设置有螺钉孔；所述螺钉孔为一锥形孔；通过带弹簧垫圈的螺钉压合固定于固定柱顶部，从而在俯仰方向调节后，螺钉按照垂直方向固定；带弹簧垫圈的螺钉起到防脱作用；弹簧垫圈直径大于螺帽直径。

本实用新型还提供一种半导体激光器耦合装置，用于将面发射激光芯片的发射光调整至水平光轴且耦合进入光纤，所述半导体激光器耦合装置包括耦合镜组件，所述半导体激光器耦合装置包括第一反射镜，所述第一反射镜面对所述面发射激光芯片地安装，面发射激光芯片的发射光经第一反射镜反射后，光轴将转换为沿水平方向前进；面发射激光芯片的发射光呈发散，经第一反射镜反射后光轴水平，光束继续发散；

所述半导体激光器耦合装置包括准直透镜，所述准直透镜安装位于水平光轴上对发射光进行准直，且准直后沿水平光轴继续前进；

所述半导体激光器耦合装置包括第二反射镜，将发射光反射后反射光沿着平面内，垂直于原光轴的另一方向的水平光轴继续前进，方向与光纤方向一致；

所述耦合镜组件安装位于所述另一方向的水平光轴，将发射光耦合至光纤端部。

在一些实施例中，每片面发射激光芯片对应一个第一反射镜、一个准直透镜以及一个第二反射镜；

所述第一反射镜可调节地安装于散热座上，以将面发射激光芯片的发射光反射后沿水平光轴继续前进；

所述半导体激光器耦合装置包括耦合镜支架，耦合镜组件通过介质被固定到耦合镜支架；

第一反射镜、准直透镜、第二反射镜、耦合镜组件依次安装于面发射激光芯片至光纤之间的光程中，将面发射激光芯片的发射光调整至水平光轴耦合进入光纤，面发射激光芯片无需与光轴垂直地设置；

第一反射镜、准直透镜、第二反射镜、耦合镜组件安装于封焊面发射激光芯片的同一散热座上；耦合镜组件通过耦合镜支架安装于所述散热座。

在一些实施例中，所述第一反射镜相对于所述面发射激光芯片可进行多维调节位置地安装于散热座上；

第一反射镜固定在多维调节反射镜支架上，所述多维调节反射镜支架可多维活动地与散热座之间配合；

多维调节反射镜支架调节第一反射镜与面发射激光芯片的装配距离和角度，面发射激光芯片的发射光通过第一反射镜反射沿水平光轴继续前进，且在光传导到耦合镜组件时，光不会扩散到散热座，也不偏出光轴；

所述多维调节反射镜支架通过固定柱活动地安装于散热座上，第一反射镜固定在多维调节反射镜支架的前侧正对所述面发射激光芯片；所述多维调节反射镜支架的底部开设有一条安装槽，多维调节反射镜支架通过安装槽套设于固定柱顶部，绕所述固定柱可旋转和/或俯仰地多维调节，相应带动第一反射镜旋转和/或俯仰地多维调节；

固定柱为圆柱体状，底部固定于散热座上，固定柱侧壁向外伸展地对称设置一对限位骨；一对限位骨与安装槽长度方向一致，且保留预定活动间隔地插入安装槽中，所述安装槽的长度方向贯通多维调节反射镜支架相对的侧壁；安装槽的形状与固定柱形状相适配，安装槽形成包围结构套设于圆柱体外部可相对多维活动地配合；所述安装槽顶部以及固定柱顶部的接触面为弧面，所述多维调节反射镜支架沿着弧面可前后倾斜调节从而相应调节第一反射镜的俯仰位置，安装槽包围结构的侧面用于限位倾斜移动的量；多维调节反射镜支架绕固定柱的轴向旋转实现偏转调节，从而相应调节第一反射镜的旋转位置，所述一对限位骨用于限制旋转移动量；从而实现第一反射镜的旋转与俯仰两个维度的调试；

多维调节反射镜支架顶部设置有螺钉孔；所述螺钉孔为一锥形孔；通过带弹簧垫圈的螺钉压合固定于固定柱顶部，从而在俯仰方向调节后，螺钉按照垂直方向固定；带弹簧垫圈的螺钉起到防脱作用；弹簧垫圈直径大于螺帽直径。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的半导体激光器耦合装置将面发射激光芯片的发射光耦合进水平光纤，面发射激光芯片直接设置于散热座，导热效率提升，对散热成本也有很大优化，散热效率更高。

进一步地，面发射激光芯片对应一个固定在多维调节反射镜支架上的反射镜，通过多维调反射镜来弥补误差，可以大大缩小芯片到准直镜片的距离，缩小模块宽度，也规避了面发射激光芯片需要与光轴垂直的的问题。

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本实用新型实施例面发射激光芯片的半导体激光器的立体图。

图2是本实用新型实施例面发射激光芯片的半导体激光器的爆炸图。

图3是本实用新型实施例多维调节反射镜支架与散热座的配合结构示意图。

图4是本实用新型实施例多维调节反射镜支架的工作原理图，其中图4(a)和4(b)分别为不同视角的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的各实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

请参照图1-4所示，本实用新型的实施例涉及一种面发射激光芯片的半导体激光器100及其半导体激光器耦合装置。面发射激光芯片的半导体激光器包括若干片面发射激光芯片2、半导体激光器耦合装置、散热座6，电极组件16和光纤10。面发射激光芯片2封焊于散热座6的一端，电极组件16也通过点胶与芯片2配合固定且由散热座6进行整体散热。光纤10固定于散热器6的另一端，半导体激光器耦合装置安装于所述散热座6上且沿面发射激光芯片2与光纤10之间的光程设置，从而将面发射激光芯片2的发射光转换为沿水平光轴发射并耦合至光纤10，由光纤10向外传输。

半导体激光器耦合装置用于将面发射激光芯片2的发射光调整至水平光轴且耦合进入光纤10。面发射激光芯片可以是hcsel，eel，vcsel中的一种。

半导体激光器耦合装置主要包括沿面发射激光芯片2的光程1上依次设置的第一反射镜3、多维调节反射镜支架4、快轴准直透镜5、第二反射镜7、耦合镜组件9。第一反射镜3、准直透镜5、第二反射镜7、耦合镜组件9依次安装于面发射激光芯片2至光纤10之间的光程1中，在设计端已经严格根据光学模拟结果，在散热座和支架4和8都做了对应限位结构，依次组装即可，将面发射激光芯片2的发射光调整至水平光轴耦合进入光纤10，面发射激光芯片2无需与光轴垂直地设置。第一反射镜3、准直透镜5、第二反射镜7、耦合镜组件9安装于封焊面发射激光芯片2的同一散热座6上；耦合镜组件9是通过耦合镜支架安装于所述散热座。

其中每个面发射激光芯片2对应一个多维调节的第一反射镜3，一个快轴准直透镜（fac）5，一个第二反射镜7。每个面发射激光芯片2发出的光，通过第一反射镜3反射后，进入fac5进行准直，再通过第二反射镜7，进入耦合镜组件9，然后被耦合进光纤10。散热座6上局部镀金用来焊接芯片2，耦合镜组件9通过耦合镜支架8设置于散热座6上。

其中散热座6为高导热性能材料，用于安装芯片2，且为芯片2散热；还用于安装整个光程上的半导体激光器耦合装置的元件，使耦合装置模块化，结构紧凑，减小尺寸，提高散热效率。在具体实施例中，散热座6的尺寸与面发射激光芯片2至光纤10之间的光程1以及半导体激光器耦合装置相适配。作为一种实施例，散热座6为铜底座。

散热座6在芯片焊接处加工一个阶梯槽，面发射激光芯片2安装于阶梯槽的斜边侧壁且背对快轴准直透镜5。作为一种实施例，两片（不限于两片）面发射激光芯片2对齐封焊到阶梯槽斜边上。芯片2通过热沉辅助焊接到铜底座（散热座6）上，可以将面发射激光芯片2产生的热量直接通过热沉传到散热座6上，进行均热，散热。无需单独拆离做散热模块。减少了拆离模块接触面的传热损耗，散热效率更高。

在其他实施例中，发射激光芯片2也能与散热座6直接贴合，导热效率提升，对散热成本也有很大优化。

第一反射镜3可多维调节地面向芯片2安装，芯片2发光呈发散，芯片2位置固定，第一反射镜3可通过旋转和/或俯仰地多维调节至适当位置，使面发射激光芯片2发出的光，通过反射镜3反射并发散后，既不会射到散热座6上去，也不会偏离出整个光轴中心，而是使其发射光沿着光轴前进。同时在散热座6，或者耦合镜等环节的偏差，也能通过这一段的多维调整来弥补误差。在面发射激光芯片2到快轴准直透镜5之间加入所述第一反射镜3，大大减小了芯片2到快轴准直透镜5的距离，减小了铜底座模块的面积，缩小模块宽度，缩小底座用料，节约成本，还规避掉面发射激光芯片2需要与光轴垂直的的问题。

本实用新型通过在面发射激光芯片2与fac5之间增加一组第一反射镜3来调整芯片2的发射光方向，从而可以实现将面发射激光芯片2直接封焊到散热座6上，通过底座进行直接散热，而无需将面发射激光芯片2与光轴垂直地设置。

第一反射镜3固定在多维调节反射镜支架4上，支架4可多维调节安装于散热座6，从而实现第一反射镜3的多维活动。第一反射镜3可通过胶水黏合到多维调节反射镜支架4上，具体安装在多维调节反射镜支架4前侧正对面发射激光芯片2。第一反射镜3黏合在多维调节反射镜支架4上，能在耦合调节时有更大的调整空间，配合第二反射镜7，增加耦合精度。

请再次参照图3-4，支架4通过固定柱11多维活动地安装在散热座6上。支架4的底部向内竖直地开设有一条安装槽12，槽顶部内壁为弧面14，安装槽12四周形成包围结构，侧安装槽12两端长度方向贯穿支架4的两侧形成贯通的槽口。

固定柱11为圆柱状，中收轴向或者顶部形成有螺钉孔或安装孔，固定柱11相对的两侧向外伸展形成对称的竖直限位骨13。固定柱顶部的接触面为一个球形顶接触面15，即为槽顶部内壁弧面14相适配的弧面。支架4向下套设于固定柱11顶部，固定柱11的圆柱外径与安装槽12包围结构适配，一对竖直限位骨13与安装槽12两端槽口宽度适配，形成一定旋转空间以及限位配合。具体地，固定柱顶部固定接触面为一个球形顶接触面15或弧面，与安装槽12顶部内壁的弧面14之间相互活动配合，可以沿着弧面前后倾斜，支架包围结构的侧面又能很好的限位住移动的量。固定柱11轴向旋转方向也可以实现偏转，由两个限位骨来限制移动量，这样就实现了旋转与俯仰两个维度的调试，形成一个多维可调节模块。固定柱11与安装槽12之间的装配间隙可以控制可调俯仰角度的大小。

多维调节反射镜支架4顶部螺钉孔为一锥形孔17，通过螺纹胶和弹簧片螺钉轻压合固定。通过螺纹胶和弹簧片螺钉压合固定于固定柱顶部，这样可以在俯仰方向调节以后，螺钉18依旧按照垂直方向固定，可以继续往下锁，至卡入固定柱的轴向螺孔或安装孔19内卡紧固定。弹簧片螺钉18能起到防脱作用，弹簧片21直径一般大于螺帽直径，其能压合面积更大，压合力更均衡。弹簧片21螺钉即为带弹簧垫圈螺钉，弹簧垫圈套设在螺帽底部一圈。

面发射激光芯片2与fac5之间增加一组第一反射镜3，可以达到面发射激光芯片2能直接封焊到散热底座上，可以通过散热座6进行直接散热的效果，同时将发射光调整为水平。

多维调节反射镜支架4调节第一反射镜3与芯片2的装配距离和角度，既要保证芯片2发光能通过反射镜3反射出去沿平行光轴继续前进，同时又要保证在光传导到fac5时，光不会扩散到散热座6，也不能偏出光轴。

多维调节反射镜支架4的结构，与散热座6上设置的固定柱顶部之间呈球面或弧面接触，相互套合，配合散热座6上固定柱的限位骨13，可多维度调节，但是又不会调整过量。

进一步地，散热座6作为一个精密加工件，内部对应加工了耦合镜支架8、快轴准直透镜5、第二反射镜7的结构定位基准，例如定位槽或定位台阶，从而将耦合镜支架8、快轴准直透镜5、第二反射镜7安装在光路1上适当位置。

装配在多维调整支架上的第一反射镜3，配合光路中的第二反射镜7，加大了整个光路的可调度，有效保证光纤耦合效率。第二反射镜7最后也通过陶瓷片，uv胶水，进行耦合固定于散热座6上。

耦合镜组件9通过介质被固定到耦合镜支架8，并通过调试台进行调准，以及根据定位光纤10位置而安装在散热座6。具体地，耦合镜组件9，在根据耦合镜支架8的结构限位，调整完后通过陶瓷片，uv胶水固定到铜底座（散热座6）上。耦合镜组件9的加入，大大增加了本申请导体激光器耦合装置以及半导体激光器的适用范围，无论是发射角均匀的面发射激光芯片还是分快慢轴的面发射激光芯片，都能被此套光路适用。

本实用新型实施例的光程1，包括芯片2的发射光经芯片2正面的反射镜3沿水平光轴反射，并由芯片2背面方向的快轴准直透镜5准直校正，出射光经第二反射镜7反射后进入耦合镜组件9第一透镜91汇集，进一步由耦合镜组件9的第二透镜90耦合进入光纤10的入射端面。快轴准直透镜5、第二反射镜7以及耦合镜组件9均位于水平光路中，其位置满足由第一反射镜3反射的水平光与光纤端面之间水平入射光之间连接形成水平光路。

更具体地，在整个光程1中，半导体激光器耦合装置的第一反射镜3安装于散热座上且面对面发射激光芯片2，面发射激光芯片的发射光20的光轴经第一反射镜3反射后，光轴将转换为沿水平方向前进；面发射激光芯片2的发射光20呈发散，经第一反射镜3反射后光轴水平，光束继续发散。半导体激光器耦合装置的准直透镜5安装于散热座6且位于水平光轴上对发射光进行准直，且准直后沿水平光轴继续前进。半导体激光器耦合装置的第二反射镜7安装于散热座6且位于所述光程1中将发射光反射后反射光沿着平面内，垂直于原光轴的另一方向的水平光轴继续前进，方向与光纤方向一致。半导体激光器耦合装置的耦合镜组件9通过耦合镜支架8安装于散热座6且位于所述另一方向的水平光轴，将发射光耦合至光纤10端部。

可以理解，本实用新型的激光器耦合装置可以单管或多管面发射激光芯片的半导体激光器。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可传输数据的连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型说明书或权利要求书中提到的“一”或“一个”等包括一个或多个的两种情况，明确指出仅为一个的情况除外。同理，说明书或权利要求书中提到的“两”或“两个”包括两个或两个以上的两种情况，明确指出仅为两个的情况除外。有时，权利要求书和说明书中可能包括词语例如“多个”、“一个或多个”或者“至少一个”，然而在没有这样的限定时，并不意味着且不应该被解释为意味着，不能设想为多个。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，均应属于本申请的范围；本实用新型的保护范围由所附权利要求及其等同范围限定。