一种基于TO封装多单管的风冷型半导体激光模块

本发明涉及半导体激光，尤其是涉及一种基于to封装多单管的风冷型半导体激光模块。

背景技术：

1、半导体激光器凭借着其自身高稳定性、高光电转换效率、体积小等优势在各个领域发挥着越来越重要的作用。高亮度绿光激光器在作为泵浦源、材料加工、医疗、安防军事等领域的需求在不断增长，但是由于绿光半导体激光芯片的发展困难，高亮度绿光半导体激光器模块的发展也同样受限。

2、通过空间合束的方法提升亮度是有效的解决方式之一，一般的空间合束方法将多个半导体激光器(ld)发射单元组合为矩形的阵列发射单元进行光纤耦合，其缺点是矩形光斑与圆形的光纤端面不匹配，存在较大“死区”造成了光纤数值孔径的浪费，限制了to单管的数量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于to封装多单管的风冷型半导体激光模块，如何将更多的光源合束后耦合进芯径和数值孔径更小的光纤中是采用空间合束方式获得高亮度绿光ld耦合模块需要解决的问题。

2、本发明提供一种基于to封装多单管的风冷型ld光纤耦合模块，包括：基座和安装在基座上位于同一平面的多个to封装单管，多个to封装单管按行列相错方式进行排列，ld数量从中间向上下两侧逐行递减，相邻两行间ld数量相差一个，呈多角形堆积方式排布，如，呈六角形堆积方式排布，采用盖板对to封装单管进行固定；散热翅片和风扇设于基座另一侧，与to封装单管安装位置相对，沿z轴方向依次为风扇和散热翅片，为to封装单管提供散热能力；每个所述的to封装单管对应一个快慢轴一体式准直镜，所述准直镜安装在位于盖板上设置的凸起处；底板和设于底板上的支架提供支撑固定位置，设于底板上的支架沿z轴正向依次分布为反射棱镜组支架、缩束棱镜支架、聚焦耦合镜支架和耦合光纤固定支架；反射棱镜组安装于上述底板上对应位置，对除中心光束外光束进行反射以改变光路；缩束棱镜设于上述底板上对应位置，对除中心光束外光束进行空间密排；聚焦耦合镜设于上述底板上对应支架位置，对合束后光束进行聚焦；耦合光纤设置于上述底板上对应支架位置，固定光纤，便于耦合操作。

3、所述快慢轴一体式准直镜依次对对应的所述to封装单管内单管管芯发出的光束进行准直，再由所述反射棱镜反射至所述光学缩束元件进行缩束，缩束后的光束除中心光束外均经所述光学缩束元件进行光束的压缩，再与中心路光束合束，最后经所述聚焦透镜耦合进光纤。

4、采用反射棱镜配合平行平板和光楔的方式可实现光束空间密排后呈六角形堆积，为常规绿光ld光纤耦合模块提供一种光束空间密排的新方案。

5、其散热方式采用风冷，在保证单管寿命的情况下提升了模块的便携性，为绿光ld光纤耦合模块手持、外携等使用场景提供一种新方案。

6、作为本发明的进一步改进，所述to封装单管按行列相错方式进行排列，ld数量从中间向上下两侧逐行递减，相邻两行间ld数量相差一个，呈多角形堆积方式排布,如，呈六角形堆积方式排布；

7、作为本发明的进一步改进，所述盖板对所述to封装单管固定，同时设有准直镜安放位置，便于所述快慢轴一体式准直镜的装调固定。

8、作为本发明的进一步改进，所述快慢轴一体式准直透镜可同时对快轴和慢轴进行准直，准直后光斑近圆形，便于六角形密排光束。

9、作为本发明的进一步改进，所述反射棱镜组包含三种光学元件，第三反射棱镜将中心光束同一水平方向左右两侧光束横向偏移，第一反射棱镜和第二反射棱镜将上下两侧光束纵向偏移。

10、作为本发明的进一步改进，所述缩束棱镜由三部分组成，上下两部分为两块光楔，中间部分为两块平行平板斜面向外对称放置，光楔窄边相对上下放置，分别位于平行平板上下两次。

11、作为本发明的进一步改进，所述反射棱镜组具有入射面、反射面和出射面，入射面和出射面均为平面，镀有绿光波段增透膜。

12、作为本发明的进一步改进，所述反射面设置为两种，与入射面相邻的反射面夹角为45°,与出射面相邻的反射面夹角小于45°，两种反射面均镀有绿光波段增反膜。

13、作为本发明的进一步改进，所述缩束棱镜具有入射面和出射面，夹角小于45°，入射面和出射面均为平面，镀有绿光波段增透膜；

14、作为本发明的进一步改进，所述缩束棱镜前后调节，可对上下两侧光束与中心光束同一水平方向光束的间距进行调节。

15、作为本发明的进一步改进，所述的缩束棱镜对中心光束以外的所述的to封装单管的光束进行光束的压缩，所述压缩后的光束向中心光束所述to封装单管的光束进行合束后应呈六角形堆积方式排布。

16、作为本发明的进一步改进，所述聚焦透镜组内包含一个或多个光学元件，通光尺寸均大于或等于合束后光束尺寸，所镀绿光波段增透膜的透射率均大于99％。

17、作为本发明的进一步改进，所述聚焦透镜组将合束后的光束聚焦于一点，聚焦后的光束在快轴方向、慢轴方向的尺寸均小于所述光纤的芯径、数值孔径均小于所述光纤的数值孔径。

18、作为本发明的进一步改进，所有所述to封装单管的激光波长均在绿光波段，所述光纤端面镀有绿光波段增透膜。

19、有益效果：

20、本发明中采用to封装可以避免单管管芯在空气中工作影响寿命，所有to封装单管基于同一平面按照六角形堆积方式排布，一方面取代了传统的机械台阶，对机械加工要求大大降低，降低了制造成本，另一方面提供了解决光束空间密排难题的新方案。采用风冷散热方式，在保证to单管正常工作的同时提高了模块的小型化；

21、本发明采用快慢轴一体式准直镜进行准直，获得了单管快轴和慢轴两方向光斑发散角相接近，光斑尺寸大小相接近的近圆形光斑，便于光束呈六角形堆积方式合束，便于准直镜的装调，减小了装调的操作难度；本发明通过反射棱镜和缩束棱镜相互配合起到除中心光束外的光束向中心压缩的作用，克服了to封装单管之间无法密集排布的缺点，提升耦合效率，提高半导体激光模块输出功率。

22、本发明通过反射镜将每束准直后的光束在空间内进行密集排布，反射镜与缩束棱镜相互配合可以更易于完成光束沿平行于底板平面方向传播，装调的灵活性有了更大的提升，为后续耦合进光纤创造便利条件。

23、本发明通过反射棱镜和缩束棱镜相互配合将准直后的光束进行空间密排，合束后呈现多角形堆积方式排布，行列相错的方式有效压缩了光束间距，提高了光纤数值孔径的利用率，为实现更多to封装单管耦合进芯径更小的光纤中提供了可能，提高了光纤耦合模块的输出功率和亮度。

技术特征：

1.一种基于to封装多单管的风冷型半导体激光模块，其特征在于，包括：基座、to封装单管、盖板、散热翅片和风扇；

2.如权利要求1所述的基于to封装多单管的风冷型半导体激光模块，其特征在于：to封装单管行列相错方式进行排列，行向排布为慢轴方向，列向排布为快轴方向，to封装单管数量从中间向上下两侧逐行递减，相邻两行间to封装单管数量相差一个，呈多角形堆积方式排布。

3.如权利要求2所述的基于to封装多单管的风冷型半导体激光模块，其特征在于：to封装单管从上向下依次排布有5行，分别为第1行、第2行、第3行、第4行、第5行；

4.如权利要求1所述的基于to封装多单管的风冷型半导体激光模块，其特征在于：所述快慢轴一体式准直镜固定于所述to封装单管正前方，通过胶粘方式固定在盖板上；

5.如权利要求1所述的基于to封装多单管的风冷型半导体激光模块，其特征在于：所述第一反射棱镜、第二反射棱镜、第三反射棱镜设置于底板支架上表面，对经过快慢轴一体式准直镜准直后的所有光束在空间内进行光束密集排布反射，均反射至所述缩束棱镜。

6.如权利要求1所述的基于to封装多单管的风冷型半导体激光模块，其特征在于：所述第一反射棱镜、第二反射棱镜、第三反射棱镜将各准直光束进行转向，光束在棱镜中进行传输，通过先后两个方向的传输使准直光束向中心光束靠拢，转向后的第1、2、4、5行光束均与底板平面存在夹角，第3行光束与底板平面平行。

7.如权利要求1所述的基于to封装多单管的风冷型半导体激光模块，其特征在于：所述第一反射棱镜、第二反射棱镜、第三反射棱镜中供光束慢轴方向转向的反射面与基座平面间夹角45°，光束快轴方向转向的反射面与基座平面间夹角大于等于45°小于90°；

8.如权利要求1所述的基于to封装多单管的风冷型半导体激光模块，其特征在于：所述缩束棱镜为折射式，设置于底板上缩束棱镜固定位置处，所述缩束棱镜中心与中心光束同轴，下表面与底板平面平行，所述缩束棱镜对中心路以外的所述to封装单管的光束进行光束的压缩，压缩后的光束与中心路所述to封装单管的光束进行合束后为六角形堆积方式排布。

9.如权利要求1所述的基于to封装多单管的风冷型半导体激光模块，其特征在于：所述聚焦透镜组包含一个或多个光学元件，通光尺寸均大于或等于合束后光束尺寸，聚焦透镜所镀绿光波段增透膜的透射率均大于99％；

10.如权利要求1所述的基于to封装多单管的风冷型半导体激光模块，其特征在于：所有所述to封装单管的激光波长均在绿光波段，与聚焦透镜组耦合的光纤端面镀有绿光波段增透膜。

技术总结
本发明涉及半导体激光技术领域，尤其是涉及一种基于TO封装多单管的风冷型半导体激光模块。基于TO封装多单管的风冷型半导体激光模块中TO封装单管发出的光束通过对应的快慢轴一体准直镜进行准直，再由第一反射棱镜、第二反射棱镜和第三反射棱镜进行转向，转向后的光束通过缩束棱镜进行压缩，最后经聚焦透镜组耦合进光纤。采用TO封装可以避免单管管芯在空气中工作影响寿命，所有TO封装单管基于同一平面按照多角形堆积方式排布，一方面取代了传统的机械台阶，对机械加工精度要求大大降低，降低了制造成本，另一方面提供了解决光束空间密排难题的新方案。采用风冷散热方式，在保证TO单管正常工作的同时提高了模块的小型化。

技术研发人员：秦文斌,武宏利,姜梦华,刘友强,曹银花
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25