基于vcsel的高功率半導(dǎo)體激光器及其vcsel激光器模組的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種VCSEL激光器模組，包括由多個(gè)VCSEL芯片組成的VCSEL芯片陣列和設(shè)置在VCSEL芯片陣列的出光面前方的內(nèi)壁反射型光學(xué)傳輸器件；其中，VCSEL芯片陣列的出光面對(duì)經(jīng)過(guò)目標(biāo)物和內(nèi)壁反射型光學(xué)傳輸器件反射回來(lái)的反射光線進(jìn)行二次反射。該VCSEL激光器模組，依賴(lài)VCSEL芯片表面極高的反射率和內(nèi)壁反射型光學(xué)傳輸器件，實(shí)現(xiàn)了高效率的激光傳輸，并對(duì)目標(biāo)物折回的反射光進(jìn)行高效的二次利用，充分提高了激光的利用率。這種結(jié)構(gòu)可以大幅提高激光的出射效率和目標(biāo)物的吸收率，并可以有效匯聚光束，進(jìn)一步提高出射口的光學(xué)功率密度。本發(fā)明同時(shí)提供了包括上述VCSEL激光器模組的高功率半導(dǎo)體激光器，這種激光器在激光醫(yī)療和工業(yè)激光加工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于VCSEL的高功率半導(dǎo)體激光器及其VCSEL激光器模組

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器模組，尤其涉及一種使用垂直腔面發(fā)射激光器 (Vertical Cavity Surface Emitting Laser,簡(jiǎn)稱(chēng)VCSEL)作為光源的激光器模組；同時(shí)涉 及一種基于VCSEL激光器模組的高功率半導(dǎo)體激光器，屬于半導(dǎo)體激光器【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 在過(guò)去二十年間，在高功率半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，基于GaAs材料的邊發(fā)射半導(dǎo)體激 光器一直占據(jù)統(tǒng)治地位，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域。然而，邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器 卻存在其致命的缺陷，雖然其預(yù)期壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)，但是在脈沖狀態(tài)下，光學(xué)災(zāi)變性損壞 幾率極大，對(duì)壽命影響嚴(yán)重，所以，其實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)不能達(dá)到理想的預(yù)期壽命。因此，需要 提供一種新的可用于工業(yè)領(lǐng)域的半導(dǎo)體激光器。
[0003] 在半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，根據(jù)發(fā)光方向與激光芯片所在外延片平面的關(guān)系，激光器 可劃分為垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser,簡(jiǎn)稱(chēng)VCSEL) 與邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器（Edge Emitting Laser Diode)兩類(lèi)。其中，垂直腔面發(fā)射激光器 的發(fā)光方向垂直于外延片方向，從反應(yīng)區(qū)的頂面射出，而邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的發(fā)光方向 平行于外延片方向，從反應(yīng)區(qū)的邊緣射出。垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)與邊發(fā)射半導(dǎo)體 激光器的結(jié)構(gòu)可參見(jiàn)圖1所示的示意圖。
[0004] 邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器和VCSEL分別具有如下特點(diǎn)：邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器是線性光 源，其在垂直方向和水平方向的發(fā)散角相差極大（垂直方向全角約在60?70度左右，水 平方向全角約在7?10度左右），并且其遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)呈現(xiàn)高斯分布；而VCSEL是圓形光源，其 發(fā)散角較?。òl(fā)散角全角約為15?20度左右），其遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)近似平頂分布，能量均勻。因 此，與邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器相比，VCSEL發(fā)射的光線更容易匯聚，并且在遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)物上能量 分布均勻。此外，與邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器相比，VCSEL還具有其他的優(yōu)點(diǎn)，例如：具有較高的 工作溫度，預(yù)期壽命較長(zhǎng)且故障率低，并且可以采用類(lèi)似于LED工藝進(jìn)行封裝，封裝工藝要 求低。然而，傳統(tǒng)的VCSEL由于相對(duì)較低的電光效率、較差的光學(xué)亮度，在高功率市場(chǎng)一直 沒(méi)有得到關(guān)注。
[0005] 隨著技術(shù)的進(jìn)步，VCSEL逐漸實(shí)現(xiàn)了接近于邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的高功率輸出，同 時(shí)由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用中存在的諸多優(yōu)點(diǎn)，如高可靠性、耐高溫、光學(xué)分布均勻、表面 高反射率等等。如果對(duì)VCSEL進(jìn)行改進(jìn)，使其可以逐漸應(yīng)用于部分工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，將會(huì)給半 導(dǎo)體激光器領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)全新的革命。
[0006] 垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)與邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的具體性能對(duì)比請(qǐng)參見(jiàn)表 1〇
[0007]

【權(quán)利要求】
1. 一種VCSEL激光器模組，其特征在于包括多個(gè)VCSEL芯片組成的VCSEL芯片陣列和 設(shè)置在所述VCSEL芯片陣列的出光面前方的內(nèi)壁反射型光學(xué)傳輸器件； 所述VCSEL芯片陣列的出光面對(duì)經(jīng)過(guò)目標(biāo)物和所述內(nèi)壁反射型光學(xué)傳輸器件反射回 來(lái)的反射光線進(jìn)行二次反射。
2. 如權(quán)利要求1所述的VCSEL激光器模組，其特征在于： 所述內(nèi)壁反射型光學(xué)傳輸器件的出射口面積小于入射口面積。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的VCSEL激光器模組，其特征在于： 所述內(nèi)壁反射型光學(xué)傳輸器件的入射口全部覆蓋且僅覆蓋所述VCSEL芯片陣列的發(fā) 光區(qū)域。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的VCSEL激光器模組，其特征在于： 所述VCSEL芯片陣列中，多個(gè)VCSEL芯片在一個(gè)平面內(nèi)緊密排列，其出光面組成一個(gè)平 面出光面。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的VCSEL激光器模組，其特征在于： 所述VCSEL芯片陣列中，多個(gè)VCSEL芯片相互成一定角度排列，多個(gè)VCSEL芯片的出光 面構(gòu)成一個(gè)以目標(biāo)物為圓心的近似弧形的多邊形出光面。
6. 如權(quán)利要求1或2所述的VCSEL激光器模組，其特征在于： 所述內(nèi)壁反射型光學(xué)傳輸器件是內(nèi)壁拋光的反射鏡筒。
7. 如權(quán)利要求1或2所述的VCSEL激光器模組，其特征在于： 所述內(nèi)壁反射型光學(xué)傳輸器件是基于內(nèi)壁全反射的導(dǎo)光錐。
8. 如權(quán)利要求7所述的VCSEL激光器模組，其特征在于： 所述導(dǎo)光錐的入射口和出射口蒸鍍光學(xué)增透膜。
9. 一種高功率半導(dǎo)體激光器，其特征在于包括權(quán)利要求1?8中任意一項(xiàng)所述的 VCSEL激光器模組。
【文檔編號(hào)】H01S5/183GK104319629SQ201410643574
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】李陽(yáng), 李德龍 申請(qǐng)人:李德龍