一种拆装式微通道半导体巴条光纤激光器模块及其封装方法与流程

1.本发明涉及一种拆装式微通道半导体巴条光纤激光器模块及其封装方法，属于半导体激光器封装技术领域。


背景技术：

2.由于半导体激光器具有体积小、重量轻、电光转换效率高、寿命长和可靠性高等优点，已在通讯、医疗、显示、工业制作和安防等领域逐渐取代了气体和固体激光器的使用，其应用范围也在逐渐扩大，半导体激光器所具有的各类优点决定其越来越受到社会各界的广泛重视。随着半导体激光器封装技术的进步，半导体器的封装形式和产品结构也越来多样化，其中光纤激光器作为第三代激光器，具有良好的光束质量、超高的转换效率、高稳定性强及体积小等优点，其发展速度越来越快。
3.目前市面上常见的光纤激光器主要有单组芯片半导体光纤激光器和多芯片半导体光纤激光器，如中国专利文件cn110518453a公开的一种半导体激光器阵列的封装结构，无论单芯片还是多芯片光纤激光器，其采用的封装结构基本上采用将激光器芯片烧结到热沉上形成cos，然后将cos烧结或者粘贴到光纤激光器壳体内，使cos与壳体形成一个整体，该封装结构工艺比较复杂，也存在诸多弊端，光纤激光器封装过程需要经过几十道工序，在生产过程中难免会出现激光器失效，从而导致整个光纤激光器报废，造成较大的损失。
4.同时该结构的光纤激光器，采用的散热方式是激光器产生的热量通过热沉和壳体，传递到散热水冷板或者直接通过风扇进行散热，其散热效果相对较差，大大的限制了激光器的功率，其功率一般只有几十瓦或者上百瓦，但是随着激光器功率的增加，激光器产生的热量增多，导致激光器温度急剧上升，影响激光器波长、功率等参数的稳定性和激光器的寿命，因此需要一种结构简单，散热良好，维修维护方便，生产效率高，生产成本低，性能稳定，可实现更高功率的光纤激光器模块结构和封装方法，以解决目前光纤激光器所存在的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种拆装式微通道半导体巴条光纤激光器模块，结构简单，装配维护方便，散热性良好，性能稳定。
6.本发明还提供上述拆装式微通道半导体巴条光纤激光器模块的封装方法。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种拆装式微通道半导体巴条光纤激光器模块，包括壳体、盖板、叠阵、vbg光栅、慢轴准直透镜、反射镜、偏振光合束器、防护镜片、耦合模块和光纤，其中，
9.壳体为内部中空的长方体结构，壳体上侧设置有盖板，壳体内一侧设置有透镜固定台阶，透镜固定台阶两侧对称设置有叠阵固定台阶，叠阵固定台阶上设置有叠阵，叠阵出光侧的透镜固定台阶上依次设置有vbg光栅和慢轴准直透镜，叠阵固定台阶中心设置有反射镜，壳体内另一侧设置有对应反射镜的偏振光合束器，偏转光合束器另一侧依次设置有
防护镜片和耦合模块，耦合模块外接有光纤。
10.优选的，叠阵包括负极块、微通道激光器、正极块、固定座和快轴准直透镜，固定座上通过绝缘片设置有正极块，正极块上侧设置有微通道激光器，微通道激光器上侧设置有负极块，微通道激光器出光侧设置有快轴准直透镜。
11.进一步优选的，正极块和固定座上设置有对应微通道激光器出液孔和进液孔的通孔，叠阵固定台阶连接的壳体上设置有进液口和出液口，进液口和出液口连通至固定座，透镜固定台阶内设置有液体通道，方便对透镜固定台阶和叠阵固定台阶降温。
12.优选的，负极块两侧设置有负极凸起，正极块两侧设置有正极凸起，相邻2个叠阵通过连接片连接正极凸起和负极凸起，使叠阵形成并联电路，内侧叠阵的正极凸起和负极凸起连接有正极和负极。
13.优选的，负极块一端设有防护缺口，防护缺口用于对激光器腔面进行防护，防止装配过程中负极块前端触碰到激光器巴条腔面，造成激光器损伤。
14.优选的，快轴准直透镜采用耐高温光通透性良好的玻璃材质，快轴准直剩余发散角≤4.5mrad，透射率≥99.8@780-1080nm。
15.优选的，慢轴准直透镜为圆弧形透镜，慢轴准直剩余发散角≤10mrad，透射率≥99.8％@780-1080nm。
16.优选的，反射镜为三角形结构，反射率≥99.5％@770-1080nm，防护镜片正向透射率≥99.6％@780-1080nm，反向透射率≤0.01％@780-1080nm。
17.优选的，耦合模块中设置有聚焦透镜，聚焦透镜一侧设置有光纤，光纤通过固定块固定于壳体外侧。
18.上述拆装式微通道半导体巴条光纤激光器模块的封装方法，步骤如下：
19.(1)首先进行叠阵组装，取出固定座，将绝缘片放到固定座上，固定螺丝穿过正极块、微通道激光器、负极块、绝缘片和固定座，将固定螺丝拧紧形成叠阵；
20.(2)安装快轴准直透镜，将快轴透镜安装到微通道激光器前端出光侧，对激光器进行快轴方向调焦，调焦完成后，将快轴准直透镜用胶水进行固化；
21.(3)安装叠阵，将装配快轴准直透镜后的叠阵固定到叠阵固定台阶上，通过连接片将相邻叠阵的负极凸起和正极凸起分别连接在一起，使叠阵形成并联电路；
22.(4)电极安装，将正极和负极中间套上绝缘套，穿过壳体，分别将正极与正极凸起，负极与负极凸起固定在一起；
23.(5)透镜安装，分别将vbg光栅、慢轴准直透镜、反射镜安装到透镜固定台阶上，并进行调焦和波长锁定；
24.(6)依次将偏振光合束器、防护镜片和耦合模块安装到壳体内部，并再次进行调焦，安装固定块将光纤进行固定；
25.(7)管路安装，将进液管和出液管分别安装到外壳外侧进液口和出液口上，连通透镜固定台阶和叠阵固定台阶内部，并进行密封；
26.(8)封盖，将装配完成的模组放入到充满惰性气体的手套箱内，将盖板装配到外壳上端，对壳体进行密封，完成微通道半导体巴条光纤激光器的封装工作。
27.本发明的有益效果在于：
28.1、本发明的拆装式微通道半导体巴条光纤激光器模块，采用可拆装式激光器固定
结构，代替直接将激光器芯片烧结到外壳上，封装更加简单，操作方便，生产效率较传统封装方式提高了10％以上，同时该结构便于对激光器进行更换，避免了因激光器失效，造成的原材物料的浪费，降低了生产成本。
29.2、本发明的光纤激光器模块，采用低温微通道制冷液直接对激光器进行降温，可以快速有效的将激光器产生的热量带走，使激光器保持恒定温度，使激光器性能稳定性得到极大的提升。同时有效的避免了激光器因散热不良造成的产品失效，该结构的光纤激光器模块生产合格率较传统结构光纤激光器合格率提升10％以上。
30.3、本发明的光纤激光器模块所用的激光器，采用大功率巴条微通道封装结构，加上良好的散热性能，可使单只光纤激光器功率提升到上千瓦。
31.4、本发明的光纤激光器模块，设有透镜降温功能，能够快速将透镜的热量进行散除，避免了透镜因温度变化过大，造成的波长的偏移，激光器波长稳定性能提升了20％。
附图说明
32.图1是本发明的立体结构示意图。
33.图2是本发明的内部立体结构示意图。
34.图3是本发明的内部俯视结构示意图。
35.图4是本发明的壳体立体结构示意图ⅰ。
36.图5是本发明的壳体立体结构示意图ⅱ。
37.图6是本发明的叠阵立体结构示意图。
38.图7是本发明的负极块立体结构示意图。
39.图8是本发明的微通道激光器立体结构示意图。
40.图9是本发明的正极块立体结构示意图。
41.图10是本发明的绝缘片立体结构示意图。
42.图11是本发明的固定座立体结构示意图。
43.图12是本发明的耦合模块立体结构示意图。
44.图13是本发明的连接片立体结构示意图。
45.其中1、壳体，2、盖板，3、叠阵，4、vbg光栅，5、慢轴准直透镜，6、反射镜，7、偏振光合束器，8、防护镜片，9、耦合模块，10、固定块，11、光纤，12、连接片，13、负极，14、正极，15、出液管ⅰ，16、进液管ⅰ，17、出液管ⅱ，18、进液管ⅱ，19、出液口，20、进液口，21、聚焦透镜，22、固定螺孔ⅰ，23、电极孔，24、透镜固定台阶，25、叠阵固定台阶，26、出液孔ⅰ，27、进液孔ⅰ，28、固定螺孔ⅱ，29、光纤孔，30、负极块，31、微通道激光器，32、快轴准直透镜，33、正极块，34、绝缘片，35、固定座，36、固定孔ⅰ，37、防护缺口，38、负极凸起，39、出液孔，40、进液孔，41、固定孔，42、正极凸起，43、定位槽，44、定位孔，45、电极固定螺孔。
具体实施方式
46.下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
47.实施例1：
48.如图1-13所示，本实施例提供一种拆装式微通道半导体巴条光纤激光器模块，包括壳体1、盖板2、叠阵3、vbg光栅4、慢轴准直透镜5、反射镜6、偏振光合束器7、防护镜片8、耦
合模块9和光纤11，其中，
49.壳体1为内部中空的长方体结构，壳体材质为导热性良好的铜质材料，壳体1上侧设置有盖板2，壳体上端四个角分别设有固定螺孔ⅰ22，固定螺孔ⅰ22用于固定盖板2，壳体1内一侧设置有透镜固定台阶24，透镜固定台阶24两侧对称设置有叠阵固定台阶25，叠阵固定台阶25上设置有叠阵3，叠阵3出光侧的透镜固定台阶24上依次设置有vbg光栅4和慢轴准直透镜5，vbg光栅用于对激光器波长进行锁定，使微通道激光器产生的激光稳定在一个固定的波长范围内，叠阵固定台阶25中心设置有反射镜6，反射镜将两侧叠阵上微通道激光器发出的激光反射到偏振光合束器上，壳体1内另一侧设置有对应反射镜6的偏振光合束器7，偏振光合束器用于所有微通道激光器产生的激光合成一束激光，偏转光合束器7另一侧依次设置有防护镜片8和耦合模块9，防护镜片用于防止耦合模块的激光放射到微通道激光器上，以免对激光器造成损伤，防护镜具有单向投射性，耦合模块9外接有光纤11，壳体上设置有用于光纤穿过的光纤孔29。
50.叠阵3包括负极块30、微通道激光器31、正极块33、固定座35和快轴准直透镜32，固定座35上通过绝缘片34设置有正极块33，固定座35中间设有定位槽43，定位槽43用于对绝缘片34进行定位，绝缘片34用于将正极块与固定座之间进行绝缘，正极块33上侧设置有微通道激光器31，微通道激光器31上侧设置有负极块30，微通道激光器31出光侧设置有快轴准直透镜32，快轴准直透镜的宽度长度尺寸与微通道激光器的尺寸相适应。负极块30、微通道激光器31、正极块33、绝缘片34与固定座35通过固定螺丝组装在一起形成叠阵，微通道激光器上设置有固定孔41，负极块上设置有固定孔ⅰ36。通过拆装叠阵固定螺丝，可以对叠阵中的微通道激光器进行更换。固定座35四个角分别设有定位孔44，定位孔44用于将叠阵与壳体进行固定。
51.正极块33和固定座35上设置有对应微通道激光器31出液孔39和进液孔40的通孔，叠阵固定台阶连接的壳体上设置有进液口20和出液口19，进液口20和出液口19分别连接进液管ⅰ16和出液管ⅰ15，进液口20和出液口19连通至叠阵固定台阶和固定座，叠阵固定台阶上设置有出液孔ⅰ26和进液孔ⅰ27，透镜固定台阶24内设置有液体通道，液体通道外接有出液管ⅱ17和进液管ⅱ18，透镜固定台阶用于固定vbg光栅、慢轴准直透镜和反射镜，并对其进行散热，透镜固定台阶内部液体通道用于散热，制冷液通过进液管ⅱ进入透镜固定台阶内部，然后由出液管ⅱ流出，使透镜固定台阶保持恒定低温状态，每个相邻的透镜固定台阶之间的高度差相同，且高度差大于微通道激光器的厚度。叠阵固定台阶用于固定叠阵，并对叠阵进行降温，叠阵固定台阶的尺寸与叠阵固定座的尺寸相适应，制冷液通过对应位置的进液口，经进液孔ⅰ进入叠阵内部，然后经出液孔ⅰ，最后通过出液口流出，将叠阵产生的热量带走，使叠阵保持恒定低温状态，叠阵固定台阶四个角分别设有固定螺孔ⅱ28，固定螺孔ⅱ用于固定叠阵。
52.负极块30两侧设置有负极凸起38，正极块33两侧设置有正极凸起42，相邻2个叠阵3通过连接片12连接正极凸起42和负极凸起38，使叠阵3形成并联电路，连接片12采用导电性良好的金属材质，连接片12两端设有电极固定螺孔45，内侧叠阵的正极凸起和负极凸起连接有正极14和负极13，壳体1前后两侧各设有两个电极孔23，电极孔23内侧设有绝缘套，防止电极与壳体接触。正极凸起42的尺寸和结构与负极凸起38的尺寸和结构相同。
53.耦合模块9中设置有聚焦透镜21，聚焦透镜21一侧设置有光纤11，光纤11通过固定
块10固定于壳体1外侧。
54.上述拆装式微通道半导体巴条光纤激光器模块的封装方法，步骤如下：
55.(1)首先进行叠阵组装，取出固定座，将绝缘片放到固定座上，固定螺丝穿过正极块、微通道激光器、负极块、绝缘片和固定座，将固定螺丝拧紧形成叠阵；
56.(2)安装快轴准直透镜，将快轴透镜安装到微通道激光器前端出光侧，对激光器进行快轴方向调焦，调焦完成后，将快轴准直透镜用胶水进行固化；
57.(3)安装叠阵，将装配快轴准直透镜后的叠阵固定到叠阵固定台阶上，通过连接片将相邻叠阵的负极凸起和正极凸起分别连接在一起，使叠阵形成并联电路；
58.(4)电极安装，将正极和负极中间套上绝缘套，穿过壳体，分别将正极与正极凸起，负极与负极凸起固定在一起；
59.(5)透镜安装，分别将vbg光栅、慢轴准直透镜、反射镜安装到透镜固定台阶上，并进行调焦和波长锁定；
60.(6)依次将偏振光合束器、防护镜片和耦合模块安装到壳体内部，并再次进行调焦，安装固定块将光纤进行固定；
61.(7)管路安装，将进液管和出液管分别安装到外壳外侧进液口和出液口上，连通透镜固定台阶和叠阵固定台阶内部，并进行密封；
62.(8)封盖，将装配完成的模组放入到充满惰性气体的手套箱内，将盖板装配到外壳上端，对壳体进行密封，完成微通道半导体巴条光纤激光器的封装工作。
63.实施例2：
64.一种拆装式微通道半导体巴条光纤激光器模块，结构如实施例1所述，不同之处在于，负极块30一端设有防护缺口37，防护缺口用于对激光器腔面进行防护，防止装配过程中负极块前端触碰到激光器巴条腔面，造成激光器损伤。
65.实施例3：
66.一种拆装式微通道半导体巴条光纤激光器模块，结构如实施例1所述，不同之处在于，快轴准直透镜32采用耐高温光通透性良好的玻璃材质，快轴准直剩余发散角≤4.5mrad，透射率≥99.8@780-1080nm。
67.慢轴准直透镜5为圆弧形透镜，慢轴准直剩余发散角≤10mrad，透射率≥99.8％@780-1080nm。
68.反射镜6为三角形结构，反射率≥99.5％@770-1080nm，防护镜片8正向透射率≥99.6％@780-1080nm，反向透射率≤0.01％@780-1080nm。