一種半導(dǎo)體激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種半導(dǎo)體激光器，至少包括半導(dǎo)體激光管、驅(qū)動(dòng)模塊、準(zhǔn)直透鏡、金屬支架和封裝材料；所述半導(dǎo)體激光器內(nèi)各部件的布設(shè)使得從金屬支架輸入的電信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊的整形和放大后驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光管，半導(dǎo)體激光管發(fā)射出的激光再經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡，準(zhǔn)直透鏡將激光準(zhǔn)直成發(fā)散角非常小的光束射出；準(zhǔn)直透鏡是利用封裝材料做成的，即在制作準(zhǔn)直透鏡的同時(shí)將半導(dǎo)體激光管、驅(qū)動(dòng)模塊、金屬支架封裝在一起，從而使上述各部件成為一個(gè)整體。本發(fā)明提出的上述半導(dǎo)體激光器體積小、輸出光脈沖寬度小，驅(qū)動(dòng)電壓較大。
【專利說(shuō)明】一種半導(dǎo)體激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光器技術(shù)、激光器驅(qū)動(dòng)技術(shù)、光束整形技術(shù)以及封裝【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種半導(dǎo)體激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]大功率半導(dǎo)體激光器是科研、工業(yè)和軍事領(lǐng)域的一種重要激光光源，常被用在導(dǎo)彈和炮彈的近炸引信中。這種激光器的特點(diǎn)是效率高、體積小、重量輕等。由于對(duì)精準(zhǔn)度的限制，需要半導(dǎo)體激光器滿足峰值功率大、脈沖寬度小的要求；同時(shí)為了達(dá)到軍事上應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，還要求半導(dǎo)體激光器具有體積小、抗沖擊性強(qiáng)的特點(diǎn)。 [0003]通常情況下，用于激光近炸引信的半導(dǎo)體激光器包括半導(dǎo)體激光管、驅(qū)動(dòng)電路、光束準(zhǔn)直系統(tǒng)三個(gè)部分。各個(gè)功能部件分別制作、分別封裝，再單獨(dú)進(jìn)行使用。
[0004]對(duì)于某些類型的導(dǎo)彈和炮彈來(lái)說(shuō)，由于其本身體積就不大，不會(huì)留出太多空間安裝近炸引信。如果激光近炸引信能夠在保證功能參數(shù)的同時(shí)，大幅度減小體積，那么無(wú)疑將會(huì)對(duì)這種小口徑武器的發(fā)展產(chǎn)生重大影響，使其在功能上更加多樣化并且更具有應(yīng)用前
旦
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[0005]目前，驅(qū)動(dòng)模塊主要采用PCB(印刷電路板)工藝進(jìn)行加工制作。由于半導(dǎo)體激光器要求功率較大，因此驅(qū)動(dòng)電路并不適于完全采用集成電路的形式制作，這就不可避免地使驅(qū)動(dòng)模塊的體積較大。這樣不僅無(wú)法滿足引信對(duì)體積上的要求，而且還使得驅(qū)動(dòng)電路中各元器件之間的距離加大，從而引入了感抗、容抗和阻抗等寄生效應(yīng)。寄生效應(yīng)會(huì)破壞信號(hào)的完整性，最直接的影響是使得電路無(wú)法獲得脈沖寬度足夠窄、峰值電壓足夠高的信號(hào)。因此，如何減小驅(qū)動(dòng)模塊的體積，并縮短驅(qū)動(dòng)模塊與半導(dǎo)體激光器之間的距離，是大功率激光器面臨的問(wèn)題之一。
[0006]半導(dǎo)體激光器工作時(shí)，其出射激光有較大的發(fā)散角，在平行結(jié)方向大概有15°，而在垂直結(jié)方向大概是30°。在輸出功率一定的情況下，發(fā)散角越大，單位面積上的光強(qiáng)就越弱，激光可以透射的距離就越短。因此，實(shí)際應(yīng)用中要求激光器最終出射的激光的發(fā)散角越小越好。當(dāng)發(fā)散角為零度時(shí)，出射激光為平行光。光束準(zhǔn)直系統(tǒng)是用于壓縮激光發(fā)散角的一種光學(xué)元件。目前，利用各種透鏡，世界各地的學(xué)者已經(jīng)設(shè)計(jì)出很多種光束準(zhǔn)直系統(tǒng)。但這些光束準(zhǔn)直系統(tǒng)一般都與半導(dǎo)體激光器分離，需要通過(guò)其他方式來(lái)放置和對(duì)準(zhǔn)。
[0007]由于上面提到的半導(dǎo)體激光器各個(gè)功能部件是分開(kāi)封裝的，這樣不僅體積較大，寄生效應(yīng)較大，而且制作流程比較復(fù)雜，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體激光器。
[0009]根據(jù)本發(fā)明一方面，其提供的半導(dǎo)體激光器，至少包括半導(dǎo)體激光管、驅(qū)動(dòng)模塊、準(zhǔn)直透鏡、金屬支架和封裝材料；所述半導(dǎo)體激光器內(nèi)各部件的布設(shè)使得從金屬支架輸入的電信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊的整形和放大后驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光管，半導(dǎo)體激光管發(fā)射出的激光再經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡，準(zhǔn)直透鏡將激光準(zhǔn)直成發(fā)散角非常小的光束射出；準(zhǔn)直透鏡是利用封裝材料做成的，即在制作準(zhǔn)直透鏡的同時(shí)將半導(dǎo)體激光管、驅(qū)動(dòng)模塊、金屬支架封裝在一起，從而使上述各部件成為一個(gè)整體。
[0010]本發(fā)明提出的上述半導(dǎo)體激光器利用封裝材料，將上面提到的金屬支架、驅(qū)動(dòng)模塊和半導(dǎo)體激光管進(jìn)行封裝，同時(shí)制作出光束準(zhǔn)直透鏡，其整個(gè)系統(tǒng)體積可以小于
08mmX 15mm，輸出光脈沖寬度小于20ns，并且根據(jù)所使用的半導(dǎo)體激光管的類型，可以提供0-20V的驅(qū)動(dòng)電壓，0-36A的電流強(qiáng)度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明中半導(dǎo)體激光器的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中半導(dǎo)體激光管的貼裝形式示意圖。
[0013]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中驅(qū)動(dòng)模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中驅(qū)動(dòng)模塊的制作示意圖。
[0015]圖5是本發(fā)明中半導(dǎo)體激光器的制作和封裝示意圖。
[0016]圖6是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中設(shè)計(jì)光束準(zhǔn)直透鏡時(shí)所使用的坐標(biāo)圖。
[0017]圖7示出了本發(fā)明中光束準(zhǔn)直透鏡的計(jì)算原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0019]圖1示出了本發(fā)明提出的半導(dǎo)體激光器的總體結(jié)構(gòu)圖。所述的半導(dǎo)體激光器是一種所有功能部件都被封裝材料包裹而成的器件，其具有信號(hào)整形、信號(hào)放大、發(fā)射激光、光束準(zhǔn)直或整形功能。其外觀為圓柱形，而出光端面為橢球形。如圖1所示，該半導(dǎo)體激光器包括金屬支架1、驅(qū)動(dòng)模塊2、半導(dǎo)體激光管3、光束準(zhǔn)直透鏡4和封裝材料5。所述半導(dǎo)體激光器內(nèi)各部件的布設(shè)使得從金屬支架輸入的電信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊2的整形和放大后驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光管3，半導(dǎo)體激光管3發(fā)射出的激光再經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡4，準(zhǔn)直透鏡4將激光準(zhǔn)直成發(fā)散角非常小的光束射出；準(zhǔn)直透鏡4是利用封裝材料做成的，即在制作準(zhǔn)直透鏡的同時(shí)將半導(dǎo)體激光管、驅(qū)動(dòng)模塊、金屬支架封裝在一起，從而使上述各部件成為一個(gè)整體。
[0020]所述金屬支架I不僅用于支撐半導(dǎo)體激光管3和驅(qū)動(dòng)模塊2，還用于半導(dǎo)體激光管和驅(qū)動(dòng)模塊的散熱以及輸入電信號(hào)的傳輸。
[0021]所述驅(qū)動(dòng)模塊2用于給半導(dǎo)體激光管3提供電驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電路，可以將輸入的電壓幅度較小的方波信號(hào)，或者有一定頻率的上升沿信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂写蟮尿?qū)動(dòng)能力的、可以提供大電流或者大電壓的窄脈沖信號(hào)；驅(qū)動(dòng)模塊2可以利用印刷電路板、多芯片模塊或者集成電路的方式制作而成，其體積小、連線短、寄生效應(yīng)?。或?qū)動(dòng)模塊2的輸出電脈沖的脈沖寬度小于20ns，脈沖峰值電壓可達(dá)20V。
[0022]所述半導(dǎo)體激光管3是一種端面發(fā)射的量子阱激光器，其為功率大，并且可以根據(jù)實(shí)際需要采用單芯或者多芯結(jié)構(gòu)。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中所使用的半導(dǎo)體激光管3是單芯結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體量子阱激光器。
[0023]所述準(zhǔn)直透鏡4用于光束準(zhǔn)直或者光束整形的部件，可以將半導(dǎo)體激光管發(fā)射出的大發(fā)散角激光準(zhǔn)直或者整形為小發(fā)散角激光；其形狀為橢球形，理論上可以將具有一定發(fā)散角的出射激光準(zhǔn)直為平行光，實(shí)際出射光的發(fā)散角小于I度。
[0024]所述封裝材料5是一種透明的環(huán)氧樹(shù)脂，它由兩種材料在高溫條件下反應(yīng)凝固而成。
[0025]圖2示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中半導(dǎo)體激光管的貼裝方式示意圖。如圖2所示，半導(dǎo)體激光管3的負(fù)極直接倒扣貼與金屬支架I的頂端處，而激光器正極通過(guò)金絲11連接到金屬支架I上的輸入信號(hào)處。
[0026]圖3示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中驅(qū)動(dòng)模塊電路結(jié)構(gòu)圖。如圖3所示，驅(qū)動(dòng)模塊2包括:電容6、電阻7、施密特觸發(fā)器裸芯片8和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管裸芯片9。驅(qū)動(dòng)模塊2可以通過(guò)印刷電路板(PCB)、多芯片模塊(MCM)、集成電路(IC)的方式制作，也可以結(jié)合上述的多種方式進(jìn)行制作。半導(dǎo)體激光管3直接粘接到金屬支架I中，通過(guò)金絲或者金屬支架I的一部分與驅(qū)動(dòng)模塊2的電路接口 12相連，并與功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管裸芯片9導(dǎo)通。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的半導(dǎo)體激光管3是一種單芯結(jié)構(gòu)的砷化鎵量子阱半導(dǎo)體激光器。
[0027]圖4示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中驅(qū)動(dòng)模塊的制作模式示意圖。如圖4所示，為了縮小體積，使用多芯片模塊與印刷電路板相結(jié)合的方式制作所述驅(qū)動(dòng)模塊2。首先使用薄型(厚度小于0.8mm)印刷電路板(PCB)工藝將圖3所示電路中的電容6、電阻7、施密特觸發(fā)器裸芯片8和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管裸芯片9的位置標(biāo)示出來(lái)，并制作這些元件粘接時(shí)所用的焊盤(pán)以及各個(gè)焊盤(pán)之間的連接線路，然后使用導(dǎo)電膠和焊錫，將各個(gè)元器件粘接到PCB中，使用金絲13連接(綁定)施密特觸發(fā)器裸芯片8和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管裸芯片9上的焊盤(pán)以及PCB上的焊盤(pán)。此外，在所述印刷電路板上還制作有電路接口 12，用于連接驅(qū)動(dòng)模塊2以及金屬支架1，電路接口 12的位置可根據(jù)實(shí)際需要并配合金屬支架I的形狀來(lái)設(shè)置。此時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊部分制作完成。
[0028]根據(jù)制作的驅(qū)動(dòng)模塊中的電路接口 12的位置，設(shè)計(jì)金屬支架1，使金屬支架I的一部分正好位于電路接口 12的下面，以便于外部輸入的電信號(hào)順利傳輸?shù)津?qū)動(dòng)模塊2中，并且在金屬支架上預(yù)留放置半導(dǎo)體激光管3的位置。金屬支架I的作用有:一是支撐驅(qū)動(dòng)模塊2和半導(dǎo)體激光管3 ;二是連接外部電信號(hào)和驅(qū)動(dòng)模塊2中的電路接口 12 ;三是為驅(qū)動(dòng)模塊2和半導(dǎo)體激光管3提高散熱作用。任何能起到以上作用的形狀都可以被制作成為符合要求的金屬支架I。金屬支架I是厚度為0.5mm的黃銅片，其形狀可以通過(guò)沖壓或者腐蝕的方式制作而成。金屬支架I的形狀需要與電路接口 2的位置相配合，從而保證電信號(hào)順利從外部傳輸?shù)津?qū)動(dòng)模塊2中。
[0029]金屬支架I制作完成后，即可將驅(qū)動(dòng)模塊2和半導(dǎo)體激光管3粘接到金屬支架的相應(yīng)位置上。
[0030]圖5示出了本發(fā)明中驅(qū)動(dòng)模塊和半導(dǎo)體激光管的制作封裝示意圖。圖5所示是由多個(gè)基本單元排列而成的金屬支架條，每個(gè)基本單元為一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊2。半導(dǎo)體激光管3的兩個(gè)電極中的正極(或負(fù)極)一般利用導(dǎo)電膠粘接到金屬支架的相應(yīng)位置，并在高溫條件下使導(dǎo)電膠固化，另外的負(fù)極(或正極)則利用金絲連接(綁定)到金屬支架I的相應(yīng)位置上。利用焊錫將驅(qū)動(dòng)模塊2中的電路接口 12和金屬支架I進(jìn)行連接和固定，便可完成驅(qū)動(dòng)模塊2的安裝。將驅(qū)動(dòng)模塊2和半導(dǎo)體激光管3粘接到金屬支架I后，將金屬支架I插入模具10中，然后將混合好的并去除氣泡的環(huán)氧樹(shù)脂即封裝材料5灌入模具中，在高溫條件下(130°C )進(jìn)行烘干，固化后取出，并將金屬支架I和模具10分離，此時(shí)金屬支架I上便會(huì)得到所設(shè)計(jì)好的半導(dǎo)體激光器，如圖1所示。
[0031]圖6示出了本發(fā)明中的光束準(zhǔn)直透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7示出了本發(fā)明中光束準(zhǔn)直透鏡的計(jì)算原理圖。如圖6所示，所述光束準(zhǔn)直透鏡的形狀為橢球形。如圖7所示，將半導(dǎo)體激光管3看作是點(diǎn)光源，根據(jù)費(fèi)馬原理，圖7中的兩條出光路徑①和②的光程(半導(dǎo)體激光管3出光點(diǎn)到plane A的光程)相等，滿足以下關(guān)系:
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體激光器，其至少包括半導(dǎo)體激光管、驅(qū)動(dòng)模塊、準(zhǔn)直透鏡、金屬支架和封裝材料；所述半導(dǎo)體激光器內(nèi)各部件的布設(shè)使得從金屬支架輸入的電信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊的整形和放大后驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光管，半導(dǎo)體激光管發(fā)射出的激光再經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡，準(zhǔn)直透鏡將激光準(zhǔn)直成發(fā)散角非常小的光束射出；準(zhǔn)直透鏡是利用封裝材料做成的，即在制作準(zhǔn)直透鏡的同時(shí)將半導(dǎo)體激光管、驅(qū)動(dòng)模塊、金屬支架封裝在一起，從而使上述各部件成為一個(gè)整體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于， 所述驅(qū)動(dòng)模塊用于給半導(dǎo)體激光管提供電驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電路； 所述準(zhǔn)直透鏡用于光束準(zhǔn)直或者光束整形，其將半導(dǎo)體激光管發(fā)射出的大發(fā)散角激光準(zhǔn)直或者整形為小發(fā)散角激光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)模塊將輸入的電壓幅度較小的方波信號(hào)，或者有一定頻率的上升沿信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂写蟮尿?qū)動(dòng)能力的、可以提供大電流或者大電壓的窄脈沖信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)模塊利用印刷電路板、多芯片模塊或者集成電路的方式制作而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)模塊的輸出電脈沖的脈沖寬度小于20ns，脈沖峰值電壓為20V。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述準(zhǔn)直透鏡的形狀為橢球形，其出射光的發(fā)散角小于I度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光管，其特征在于，其為端面發(fā)射的量子阱激光器，采用單芯或者多芯結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述金屬支架用于支撐半導(dǎo)體激光管和驅(qū)動(dòng)模塊，還用于半導(dǎo)體激光管和驅(qū)動(dòng)模塊的散熱以及輸入電信號(hào)的傳輸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述封裝材料是一種透明的環(huán)氧樹(shù)脂，它由兩種材料在高溫條件下反應(yīng)凝固而成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其是一種所有功能部件都被封裝材料包裹而成的器件，其外觀為圓柱形，而出光端面為橢球形。
【文檔編號(hào)】H01S5/06GK103647214SQ201310750890
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】羅達(dá)新, 趙柏秦 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所