半导体激光器、半导体激光模块以及激光设备
阅读说明：本技术 半导体激光器、半导体激光模块以及激光设备 (Semiconductor laser, semiconductor laser module, and laser device ) 是由 勾志勇 肖岩 周德来 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种半导体激光器、半导体激光模块以及激光设备,其中,半导体激光器是一种水平腔面发射激光器HCSEL；所述HCSEL发光一个方向准直光束、一个方向非准直光束,或者,HCSEL出光是两个方向都是准直光束；所述HCSEL包括光栅,通过光栅实现激光锁模且耦合输出激光,耦合垂直输出光线。由所述半导体激光器作为激光芯片构成半导体激光模块可直接输出均匀化线光束,无需耦合到光纤,工艺工序简单,成本低廉,生产效率高,效果良好,具有非常高的性价比。(The invention relates to a semiconductor laser, a semiconductor laser module and laser equipment, wherein the semiconductor laser is a Horizontal Cavity Surface Emitting Laser (HCSEL); the HCSEL emits one-direction collimated light beam and one-direction non-collimated light beam, or the light emitted by the HCSEL is collimated light beams in two directions; the HCSEL comprises a grating, laser mode locking is realized through the grating, laser is coupled and output, and light is coupled and vertically output. The semiconductor laser is used as a laser chip to form a semiconductor laser module which can directly output uniform line beams without being coupled to optical fibers, and the semiconductor laser has the advantages of simple process, low cost, high production efficiency, good effect and very high cost performance.)
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其是一种半导体激光器、半导体激光模块以及激光设备。
背景技术
通常光纤激光、半导体激光器耦合到光纤发出的激光束的空间强度分布呈高斯分布，即高斯光束，而在很多激光技术的应用中希望激光光强是均匀分布的线形光斑，如激光清洗、激光检查、激光切除、激光3D扫描、激光熔覆、激光加热、激光烧蚀、智能检测、美容皮肤治疗、表征处理、颜色消融/油漆去除，去除涂层等应用领域。
另一方面，当前传统工艺工序太复杂，成本高，性价比低。
其中一种传统方法是采用芯片线阵排列或者laser bar，快轴方向必须是用非球面或二元或其衍射光学(绿色线条)准直或者聚焦成窄方形，慢轴方向采用非球面或二元光学或衍射光学扩成长条方向。采用二元光学，非球面或衍射光学成本高，且因半导体芯片高斯分布严重，有些无法采用光场叠加的模式进行二次均匀化设计，很多时候无法达到想要的效果，这种方法目前用的很少。
另一种传统方法中，例如几百瓦的半导体激光器耦合到光纤，采用多个LD芯片快慢方向准直，然后采用多个反射镜光场重合叠加，再通过聚光镜耦合到光纤输出，输出后的光场仍会高斯分布，在应用中，通过二次光学(非球面或者二元光学及其衍射光学)进行高斯均匀化，做成所需的均匀线条，工序复杂，效率低，成本昂贵。
再一种传统方法中，采用几百瓦光纤激光器，但是光纤激光器输出光束也是高斯或者多模分布，无法直接应用的一些对光束要求高的领域，故需把光束均匀化，通常的方法是光纤输出后采用二元光学，非球面光学，或者衍射光学进行均匀化，达到所需的均匀线条。这样的方法和前述的传统方法及半导体激光耦合到光纤一样成本昂贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种半导体激光器、半导体激光模块以及激光设备，解决现有技术的半导体激光器的应用，工艺工序太复杂，成本高，性价比低。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种半导体激光器，是一种水平腔面发射激光器HCSEL；所述HCSEL出光一个方向准直光束、一个方向非准直光束，或者，HCSEL出光两个方向都是准直光束；所述HCSEL包括光栅，通过光栅实现激光锁模且耦合输出激光，耦合垂直输出光线。
进一步地，所述光栅为高阶光栅，高阶光栅是线性光栅、非线性光栅或非均匀光栅；所述HCSEL为水平振荡模式，输出均匀化线光束；所述高阶光栅位于所述HCSEL的水平腔表面或内部；所述HCSEL的出光方向垂直于所述HCSEL水平腔的上表面或者下表面，HCSEL的出光为条形或方形。
进一步地，所述HCSEL包括P电极、N电极、基质、激发区以及光栅，分层层叠，整体形成水平腔面发射激光器的水平腔，水平腔的正面或背面形成发光区域；根据所述光栅在水平腔内的位置，相应地所述HCSEL从水平腔的表面直接出射光或从内部出射光。
作为一些实施例，N电极、基质、激发区、P电极自上至下地水平层叠，光栅位于任意层或上下表面的位置；各层形状及大小相互适配，形成平整的层叠结构。
本发明提供了一种半导体激光模块，所述半导体激光模块包括若干个如上所述的半导体激光器作为激光芯片排列而成。
进一步地，单个或者多个所述HCSEL按照发光区域长的方向线排列形成激光芯片阵列，直接输出均匀化光束，无需采用耦合到光纤；
所述半导体激光模块包括用于聚焦和/或扩角光束的光学元件，其中，将HCSEL长的慢轴方向发出光束采用非对称曲率光学元件将光束聚焦成所需的窄条方向光斑；和/或，
将HCSEL窄方向快轴发出的光，通过另一个光学元件将快轴方向的发出光束扩角为所需的长条方向的光斑；通过光学元件聚焦或者扩角度后，快轴和慢轴光叠加为均匀的线光斑。
作为一些实施例，所述光学元件为镜片；所述单个或者多个HCSEL排列后的几何中心与镜片光轴中心在同一个中心线上；HCSEL发光面长方向或者多个HCSEL排列的发光面长方向，为角度发散慢的方向，也为慢轴Y方向，对应为聚焦后线光斑的窄方向；HCSEL发光面的窄方向对应为角度发散快的方向，也为快轴X方向，对应聚焦后线光斑的长条方向。
作为一些实施例，半导体激光模块的光学元件包括一片或多片镜片；镜片的曲率半径R方向是相互垂直：即一个曲率半径Rx是x方向、曲率半径Y方向Ry为0，一个曲率半径Ry是Y方向、曲率半径X方向Rx为0；每个曲率半径R的功能为：曲率半径R朝着HCSEL发光面长方向为聚焦光斑线长方向，曲率半径R朝着芯片短方向的功能是聚焦线光斑长方向；当所述光学元件为一片时，则镜片上的曲率半径是相互垂直状态；当所述光学元件包括有两片时，则镜片的曲率半径方向是相对垂直；
作为一些实施例，所述镜片为柱面镜、非球柱面镜、复合曲面、二元光学元件、衍射光学元件中的任一种或任几种的组合。
作为一些实施例，若干HCSEL排列在热沉上，若干HCSEL按照慢轴方向或发光区域长的方向排列成芯片阵列，每个HCSEL单独用一个热沉或者多个HCSEL放置在同一个热沉；HCSEL通过焊料衔接于热沉上，HCSEL与HCSEL之间串联地电连接。
本发明还提供一种激光设备，包括激光输出单元，所述激光输出单元包括如上所述的半导体激光模块。
作为一些实施例，所述激光设备为激光熔覆、激光清洗、激光检查、激光切除、激光3D扫描、激光加热、激光烧蚀、智能检测等激光设备中的一种。
本发明的有益效果是：
本发明的半导体激光器可以为一个方向准直，一个方向不准直，也可以为两个方向准直，半导体激光器出来的光分布相对均匀；采用本发明的半导体激光器作为芯片排列形成的半导体激光模块，无需采用耦合透镜到光纤便可直接输出均匀光线，且可采用普通光学元件即可输出均匀化光束，工艺工序简单，成本低廉。
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例的半导体激光器的内部结构示意图。
图2是本发明实施例的半导体激光器出光示意图。
图3是本发明实施例半导体激光器不同出光方式的示意图；其中，图3(a)为光栅在表面时背面出光形式，图3(b)为光栅在表面时表面出光形式，图3(c)光栅在内部时正面出光，图3(d)为光栅在内部时背面出光。
图4本发明实施例半导体激光器一个方向准直和一个方向不准直近场光束分布曲线，其中图4(a)为快轴方向近场光束能量分布图；图4(b)慢轴方向近场光束能量分布图。
图5是本发明半导体激光模块的一种实施方式。
图6是本发明实施例半导体激光模块的光学示意图。
图7是本发明实施例半导体激光模块的输出光斑示意图。
图8是本发明实施例半导体激光模块的输出光斑的尺寸分布图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的各实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参照图1-8所示，本发明的实施例涉及一种半导体激光器10(参照图1-3)以及一种半导体激光模块100(参照图5-6)。其中，半导体激光器是为一种半导体激光器HCSEL 10。模组100中包括单个或多个所述水平腔面发射激光器HCSEL作为激光芯片，通过将HCSEL10按照发光区域长的方向线排列，无需采用耦合到光纤，且采用普通光学元件，即可输出均匀化光束。
进一步地，使用本发明的半导体激光模块应用于激光设备作为激光输出单元，设备系统简单，元件少，可采用普通光学元件例如普通的光学镜片即可达到所需的均匀化线光束，工艺工序简单，成本低廉，生产效率高，效果良好，具有非常高的性价比，整个方案性价比相比于光纤耦合和其他半导体芯片阵列排列成本低。
本发明的半导体激光器为HCSEL(Horizontal Cavity Surface Emitting Laser，水平腔面发射激光器)。参照图1-2，如图所示，作为一种非限定性例子的半导体激光器HCSEL 10的结构示意图，HCSEL 10为水平振荡模式，输出均匀化线光束，这种HCSEL的激光芯片结构及出光方式可降低芯片成本，简化耦合时候工艺工序，方便与模组内其他光学器件集成。
具体地，本实施例的半导体激光器HCSEL 10包括P电极2、N电极3、基质4、激发区5以及光栅1等结构，分层层叠，且水平层叠，整体形成水平腔面发射激光器的水平腔，其正面或背面形成发光区域11，顶层(或上表面)和底层(或下表面)分别对应为HCSEL芯片的水平腔的正面或背面，且在水平腔面的正面或背面形成发光区域11，相应地，在水平腔面的正面和/或背面出光，且出光方向垂直于水平腔的上表面或下表面。光栅1可以位于本发明实施例的半导体激光器HCSEL的表面或内部，还可以是位于半导体激光器HCSEL芯片的其他位置。
作为半导体激光器HCSEL 10的层叠结构的具体例子，P电极2以及N电极3位于上下两层且位于基质4和激发区5两层外侧；基质4和激发区5分别位于上下两层，且位于P电极2和N电极3两层之间。更具体地，N电极3、基质4、激发区5、P电极2自上至下地水平层叠，光栅1可位于任意层或上下表面(正面或背面)的位置。图1-2所示的非限定性实例中，光栅1位于激发区5与P电极2之间，发光区域位于水平腔面发射激光器(HCSEL)的正面。各层形状及大小相互适配，形成平整的层叠结构。
光栅1较佳为高阶光栅，通过高阶光栅实现激光锁模，通过所述高阶光栅耦合输出激光，耦合垂直输出光线。本发明的半导体激光器HCSEL 10的发光一个方向准直光束，一个方向非准直光束；或者出光是两个方向都是准直光束。参照图4所示为半导体激光器HCSEL的快轴和慢轴方向的发光角度对应的光强分布曲线的例子，半导体激光器HCSEL一个方向准直(也就是慢轴方向)和一个方向不准直(快轴方向)。
所述高阶光栅是线性光栅、非线性光栅、二元光栅或非均匀光栅。更具体地，高阶光栅可以是二元光栅、线性光栅、曲线光栅、反射光栅、衍射光栅等中的一种或多种。高阶光栅位于所述HCSEL 10的表面或内部。
再次参照图2，本发明半导体激光器HCSEL 10的出光方向垂直于所述半导体激光器HCSEL水平腔的上表面或者下表面，且为条形或方形光斑，光分布相对均匀。
本发明半导体激光器HCSEL 10可以正面出光，也可以是背面出光；可以是表面出光，也可以是内部出光；还可以是其他的出光形式。在实际运用中，可根据具体的应用场景设置本发明半导体激光器HCSEL 10的出光方式。参照图3，本发明半导体激光器HCSEL的非限定性示例的多种不同出光方式，图中的锯齿状为光栅1，图3(a)为光栅在表面时背面出光形式，图3(b)为光栅1在表面时表面出光形式，图3(c)光栅在内部时正面出光，图3(d)为光栅在内部时背面出光。
对照图5-6，本发明还涉及一种半导体激光模块100，包括若干个半导体激光芯片以及光学元件对芯片出射光进行聚焦或者扩角度。其中，半导体激光芯片采用上述实施例的半导体激光器HCSEL 10，HCSEL 10作为一种新型集成光源芯片，可以是一边准直，一边不准直，也可以是两个方向都准直，HCSEL 10发射出来的光分布相对均匀。本发明半导体激光模块，可采用单个或者多个上述半导体激光器HCSEL 10作为激光芯片，多个导体激光器HCSEL 10排列成芯片阵列。
本发明的半导体激光模块100中可将HCSEL芯片按发光面长的慢轴方向排列，排列数量可为单个或者多个。使用光学元件，将半导体激光器HCSEL 10长的慢轴方向发出光束，采用非对称曲率光学元件先把其聚焦成所需的窄条方向光斑；和/或，HCSEL 10窄方向快轴发出的光，通过另一个光学元件把快轴方向的光扩角为所需的长条方向的光斑。通过镜片聚焦或者扩角度后，快轴和慢轴光叠加后非常均匀。
本发明实施例的半导体激光模块100中，若干个HCSEL 10按照发光区域长的方向线排列，具有均匀化线光束输出的特性，无需采用耦合到光纤，且可通过普通光学元件聚焦或扩角便可获得均匀化线光束，工艺工序简单，成本低廉，生产效率高，效果良好，具有非常高的性价比。
在一些实施例中，半导体激光模块100包括水平腔面发射激光器(HCSEL)10、热沉20和光学元件(或镜片)30。若干半导体激光器HCSEL 10排列在热沉20上，若干水平腔面发射激光器HCSEL 10按照慢轴方向排列成芯片阵列，也就是按照发光区域长的方向排列一起，热沉20用于给HCSEL芯片散热，每个半导体激光器HCSEL 10可以单独用一个热沉，也可以多个HCSEL芯片放置在同一个热沉(如图5)，HCSEL芯片和热沉之间采用焊料衔接，芯片与芯片之间采用打线串联。
具体地，参照图5-6，半导体激光模块100由多个HCSEL芯片按照发光区域长的方向线排列，采用普通光学元件聚焦或者扩角度，聚焦窄方向对应为排列中长条方向，也就是慢轴方向，聚焦线长的方向为对应芯片窄方向，也就是快轴方向，这种排布也与传统的半导体激光模块中芯片的排列不相同。芯片排列在一个热沉20上，芯片按照发光区域长的方向排列一起，也就是慢轴方向排列，热沉用于散开芯片上的热，HCSEL芯片与热沉采用焊料衔接，芯片和芯片之间采用打线串联。作为一种非限定性例子，采用HCSEL芯片尺寸5mm*0.5mm，对应角度为0.5度*23度，每个芯片功率50W，模组出光约150W，按照芯片长条方向排成一列，芯片发光面5mm长方向为慢轴Y方向，发散角度小，芯片0.5mm发光面窄方向为快轴X方向，发光角度大。
半导体激光模块100还包括光学元件30，用于对HCSEL芯片的出射光进行聚焦或者扩角。单个或者多个HCSEL 10排列后的几何中心与镜片光轴中心在同一个中心线上，具体地，HCSEL芯片发光面长方向或者多个芯片排列的发光面长方向，也就是角度发散慢的方向，所谓慢轴Y方向，对应为聚焦后线光斑的窄方向；HCSEL 10的窄方向也就是角度发散快的方向，所谓快轴X方向，为聚焦后线光斑的长条方向。
本发明的光学元件30可以是一片或者两片镜片，如果是一片镜片，则镜片上的曲率半径是相互垂直状态，如果是两片，镜片的曲率半径方向是相对垂直。作为一些实施例，所述镜片为柱面镜、非球柱面镜、复合曲面、二元光学元件、衍射光学元件中的任一种或任几种的组合。较佳地，光学元件30为柱面镜片。
作为一种实施例，半导体激光模块100的光学元件30包括两镜片，两镜片曲率半径R方向是相互垂直，即一个曲率半径Rx是x方向，曲率半径Y方向Ry为0，一个曲率半径Ry是Y方向,曲率半径X方向Rx为0，每个曲率半径R的功能为：曲率半径R朝着芯片长方向为聚焦光斑线长方向，曲率半径R朝着芯片短方向的功能是聚焦光斑线长方向。
本实施例中，光学元件30包括慢轴方向的镜片一31以及快轴方向的镜片二32组合而成，镜片一31的Y曲率方向Ry1与单个HCSEL芯片的慢轴Y方向或者多个HCSEL芯片排列后Y方向一致，与HCSEL芯片快轴X方向垂直，镜片一31的X方向曲率Rx1为0；镜片二32的X曲率方向Rx2和HCSEL芯片的快轴X方向一致，与慢轴Y方向垂直，镜片二32的Y方向曲率Rx2为0。
HCSEL芯片慢轴Y方向出来的光40(以图6中以点画线/中心线表示)，经过光学镜片一31的Ry曲率进行聚焦，经过镜片一31聚焦后的光经过镜片二32，因镜片二32的Ry2为0，光线没有改变，直接聚焦到设计所需的距离处；因镜片一31的快轴方向Rx1为0，芯片快轴x方向出来的光50直接经过镜片一31，到达镜片二32，通过镜片二32时候，由于Rx2作用，把光线扩成所需的长度；例如形成图6和图7中的长条形光斑60。采用HCSEL芯片，通过不同的普通光学元件30组合，可以得到不同形状的均匀性均匀线条。
上述实施例的镜片一31可以包括单个镜片或者包括多个镜片的组合，可以是球面、非球面、二元光学、衍射光学镜片等，用于聚焦光束，通过镜片1后的聚焦光束为均匀线条光斑的窄方向。
镜片二32可以是单个或者多个镜片或者包括多个镜片组合，可以是球面、非球面、二元光学、衍射光学镜片等，用于对光束扩角，芯片出射光扩角后形成平顶化光线；扩角后的平顶化光线在所需的距离对应为光斑的长方向。
图6所示的半导体激光模块100具体例子中，激光芯片阵列的出光面前方的镜片一31和镜片二32为单镜片。其中，镜片一31的是平凸镜片，曲率凸方向远离激光芯片，镜片二32是平凹方向，凹的方向朝着激光芯片。激光芯片的出射光先经镜片一31聚焦，再经镜片二32扩角，镜片二32位于镜片一31后方，镜片二32到聚焦工作面为100mm。作为非限定性例子，镜片1和镜片2的光学参数如下表：
激光芯片的出射光经镜片一和镜片二进行聚焦和扩角后，获得光斑尺寸1mmx50mm，参照图7。对光斑强度分布曲线请参照图8，可见，光斑中光线强度均匀。
本发明实施例的镜片一31和镜片二32位置可以互换。在激光芯片的阵列几何中，与镜片一31和镜片二32的中心在一条直线上。
本发明的半导体激光模块100，为直接半导体线均匀模组，可用于激光熔覆、激光清洗、激光检查、激光切除、激光3D扫描、激光加热、激光烧蚀、智能检测等激光设备中作为激光设备的激光输出单元，无需进行光纤耦合，应用设备的系统简单，元件少，工序简单，成本低，半导体激光模块100的元件可采用普通的球柱面镜片，价格低廉，整个方案性价比相比于光纤耦合和其他半导体芯片阵列排列成本低。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，均应属于本发明的范围；本发明的保护范围由所附权利要求及其等同范围限定。