用于实现光学汇聚的vcsel激光器封装结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于实现光学汇聚的垂直腔面发射激光器(VerticalCavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL)封装结构，属于半导体激光器技术领域。
【背景技术】
[0002]在半导体激光器领域，根据发光方向与激光芯片所在外延片平面的关系，激光器可划分为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL)与边发射半导体激光器(Edge Emitting Laser D1de)两类。其中，垂直腔面发射激光器的发光方向垂直于外延片方向，从反应区的顶面射出，而边发射半导体激光器的发光方向平行于外延片方向，从反应区的边缘射出。垂直腔面发射激光器(VCSEL)与边发射半导体激光器的结构可参见图1所示的示意图。
[0003]过去二十年间，在高功率半导体激光器领域，基于GaAs材料的边发射半导体激光器一直占据统治地位，并广泛应用于工业、医疗、科研等领域。而传统的垂直腔面发射激光器由于具有相对较低的光电效率、较差的光学亮度，在高功率半导体激光器市场一直没有得到关注。
[0004]随着技术的进步，VCSEL逐渐实现了接近于边发射半导体激光器的高功率输出，同时由于其独特的结构，其应用中的诸多优点，如高可靠性、耐高温、光学分布均匀、表面高反射率等等，逐渐在部分领域形成对边发射半导体激光器的有力竞争。例如，在部分激光医疗和工业应用中，为了克服边发射激光器始终面临着可靠性不高、工作温度苛刻、光学汇聚效率低、光强分布不均匀等缺点，可以考虑使用VCSEL代替边发射半导体激光器，并通过对VCSEL进行光学汇聚使其达到较高的光学汇聚效率，同时可以改善光强分布的均匀性。
[0005]VCSEL的具体结构及其光斑特性如图1和图2所示:VCSEL通常以阵列形式进行光学应用，VCSEL的发光方向垂直于外延片所在平面，其发光区是圆形光源，发散角较小(发散角全角约为15?20度左右)，其远场光强近似平顶分布，能量均匀。因此，与边发射半导体激光器相比，VCSEL阵列发射的光线将更容易汇聚，并且在远场目标物上能量分布更加均匀。
[0006]现有技术中，VCSEL的封装结构如图3所示，通常将单个VCSEL芯片直接焊接于散热衬底上，散热衬底的下表面焊接在热沉上，散热衬底具有良好的导热性，并通过热沉将VCSEL的热量及时散发出去，从而实现对使用中的VCSEL进行冷却。在实际使用时，多个VCSEL组成如图2所示的面阵列，通过将多个VCSEL芯片紧密排列在一块水平的热沉上组成VCSEL阵列，可以形成一个更大的出光面，多个VCSEL芯片之间通过金丝焊接。
[0007]在医疗、工业等诸多高功率应用场合中，往往需要将多个激光器芯片输出的激光光束进行汇聚，以期在目标位置达到更高的功率密度。现有技术中，通过控制边发射激光器的芯片间距、光学准直、透镜聚焦，目前已经可以实现较小的光斑和极高的功率密度。用于边发射激光器的光束压缩方法的具体内容可以参见中国发明申请CN201210054447.8中公开的内容。而对于VCSEL，由于是面发光结构，芯片之间间距无法进一步压缩，光学准直亦比较困难，因此，应用于边发射半导体激光器阵列的光学汇聚方法并不适于对VCSEL阵列的光学汇聚。因此，如何在特定位置对多个VCSEL芯片进行聚焦，仍然是一个急需解决的问题。
【发明内容】
[0008]本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种用于实现光学汇聚的VCSEL激光器封装结构。
[0009]为了实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案:
[0010]一种用于实现光学汇聚的VCSEL激光器封装结构，包括由多个VCSEL芯片组成的VCSEL阵列和用于封装VCSEL阵列的弧形热沉，所述弧形热沉的封装面的截面是一个圆的部分外切多边形，所述封装面由多个相互呈一定角度的小封装平面组成，所述封装面内凹，并且，每个小封装平面的中心法线在圆心位置处相交；
[0011]所述VCSEL阵列中的所有VCSEL芯片分别安装于所述热沉的各个小封装平面上，从而使所有VCSEL芯片分布在同一圆的外圆周上，并且，所有VCSEL芯片的中心法线在圆心位置相交形成焦点，所述VCSEL芯片到焦点的距离构成焦距。
[0012]其中较优地，每个所述小封装平面用于封装一个或多个VCSEL芯片。
[0013]其中较优地，所述VCSEL阵列前方设置有一个入光面的截面为圆弧状或圆弧面外切多边形的光学传输器件，所述光学传输器件的内壁平行于以焦点为圆心、以焦距为半径的圆的半径方向，所述光学传输器件的长度小于所述VCSEL阵列焦距的长度。
[0014]其中较优地，所述光学传输器件是内壁抛光的反射镜筒或者基于内壁全反射的导光锥。
[0015]其中较优地，所述导光锥的入光面和出光面蒸镀光学增透膜。
[0016]其中较优地，所述VCSEL阵列中，所有所述VCSEL芯片紧密排列；
[0017]所述光学传输器件的入光面全部覆盖且仅覆盖所述VCSEL芯片阵列的发光区域。
[0018]本实用新型通过改变VCSEL芯片阵列的排列形状实现VCSEL激光的汇聚。具体在其封装结构中，通过内凹的弧形热沉对VCSEL阵列进行封装，使得激光在圆心位置附近达到光束汇聚的目的。并且，通过在VCSEL阵列前方设置透射性光学器件实现了光束的进一步压缩。这种VCSEL阵列的封装结构，用非常简洁的方式改变VCSEL芯片阵列的排列形状，实现了多个VCSEL芯片在特定位置的光束汇聚，在激光医疗和工业激光加工领域具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0019]图1是垂直腔面发射激光器和边发射激光器的结构示意图；
[0020]图2是垂直腔面发射激光器阵列的发光方向示意图；
[0021]图3是现有技术中单个VCSEL芯片的封装结构示意图；
[0022]图4是本实用新型所提供的VCSEL激光器的汇聚原理示意图；
[0023]图5是本实用新型所提供的弧形热沉的正视示意图；
[0024]图6是图5所示弧形热沉的立体结构示意图；
[0025]图7是基于图6所示弧形热沉的VCSEL阵列的封装结构示意图；
[0026]图8是图7所示VCSEL芯片阵列的封装结构的汇聚原理示意图；
[0027]图9是基于弧形热沉和导光锥的VCSEL激光器的封装结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术内容进行详细具体的说明。
[0029]本实用新型通过改变VCSEL阵列的排列形状，实现多个VCSEL芯片在特定位置的光束汇聚。如图4所示，在该光学汇聚方法中，通过使VCSEL阵列中所有VCSEL芯片I或其正投影分布于同一圆的外圆周上，并使所有VCSEL芯片I的中心法线在圆心位置相交构成焦点，实现VCSEL芯片发光单元的光束汇聚。由于VCSEL阵列中，VCSEL芯片通常紧密排列在一定区域内，因此，定义VCSEL芯片的分布方式为扇形分布，并定义VCSEL芯片I到焦点的距离为焦距。
[0030]由于VCSEL芯片是圆形光源，发散角较小(发散角全角约为15?20度左右)，其远场光强近似平顶分布，能量均匀。因此，通过改变VCSEL芯片的排列方式，使不同VCSEL芯片I向同一位置发射激光，即可实现所有VCSEL芯片I在圆心位置的功率叠加。与边发射半导体激光器相比，由于VCSEL发射的激光束的发散角较小，VCSEL阵列发射的光线汇聚更易于实现，并且其在远场目标物上能量分布更加均匀。
[0031]为了实现VCSEL芯片的扇形分布，发明人经过试验研宄，制作了一种封装面的截面呈圆弧状外切多边形的热沉。由于该热沉的封装面近似弧形，简称为弧形热沉。通过该具有内凹形封装面的弧形热沉对VCSEL阵列进行封装。该弧形热沉的封装面如图6所示，是由多个分布在不同高度且相互呈一定角度的小封装平面组成，多个小封装平面组成一个以焦点为圆心的圆的外切多边形，并且，每个小封装平面的中心法线在圆心位置相交。其具体结构以及对VCSEL阵列的封装方式将在下文实施例中详细介绍。
[0032]此外，为了进一步压缩VCSEL芯片的光束，同时限定激光的传播，在VCSEL芯片的前方还可以设置光学传输器件3。通过使用一个入光面的截面为圆弧状或圆弧面外切多边形的光学传输器件3可以对VCSEL阵列射出的激光进行进一步压缩。其中，光学传输器件3设置在VCSEL阵列的出光面的前方，光学传输器件3的内壁平行于以焦点为圆心、以焦距为半径的圆的半径方向，并且，光学传输器件3的长度小于焦距的长度。实际使用时，光学传输器件3可以采用内壁抛光的反射镜筒或者基于内壁全反射的导光锥。
[0033]下面，结合具体实施例对本实用新型提供的用于实现上述光学聚焦方法的VCSEL激光器的封装结构进行说明。
[0034]第一实施例
[0035]为了将多个VCSEL芯片的光束汇聚到一起，本实用新型提供了一种封装面的截面外切于圆弧面的多边形热沉，用于封装VCSEL激光器阵列，从而使得在弧面圆心位置附近，实现了多个VCSEL芯片在一个方向上的光学汇聚。
[0036]如图5、图6和图7所示，弧形热沉2的封装面的截面近似于内凹的弧形。具体为由多个小封装平面20的截面彼此相互呈一定角度构成的多边形，该多边形是以VCSEL阵列的焦点(目标物所在的汇聚点)为圆心O、以焦距为半径R的圆的部分外切多边形，其中，每个小封装平面20的中心法线均汇聚于焦点。实际使用中，其汇聚点可以有一定偏差，只要小封装平面20的中心法线可以汇聚于焦点附近即可，但偏差的范围应限制在一个极小的角度内。
[0037]本实用新型所提供的VCSEL激光器的封装结构，使用上述弧形热沉2对VCSEL阵列中所有的VCSEL芯片进行封装。如图7所示，分别将VCSEL阵列中的所有VCSEL