可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜及其制作方法
阅读说明：本技术 可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜及其制作方法 (Semiconductor saturable absorption mirror capable of improving thermal damage resistance and manufacturing method thereof ) 是由 陈炯 崔索超 郑建奎 潘科 白航宇 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜及其制作方法,包括金属底板,在所述金属底板的顶部通过焊料焊接有半导体制冷片,在所述半导体制冷片上通过焊料焊接有金属热沉,在所述金属热沉的表面通过焊料粘贴有热敏电阻；所述金属热沉的一侧通过焊料焊接有SESAM芯片。本发明所述的可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜,将金属底板、半导体制冷片、金属热沉、热敏电阻和SESAM芯片之间均采用焊料焊接来代替现有的胶水粘接,不仅避免了使用胶水给SESAM带来的污染,而且具有散热性能优良、工作温度范围宽、可靠性高、长期稳定性好、使用寿命长等优点,大大提升了SESAM芯片的抗热损伤性能。(The invention discloses a semiconductor saturable absorption mirror capable of improving thermal damage resistance and a manufacturing method thereof, wherein the semiconductor saturable absorption mirror comprises a metal bottom plate, a semiconductor refrigerating sheet is welded on the top of the metal bottom plate through solder, a metal heat sink is welded on the semiconductor refrigerating sheet through solder, and a thermistor is adhered on the surface of the metal heat sink through solder; one side of the metal heat sink is welded with an SESAM chip through welding flux. The semiconductor saturable absorption mirror capable of improving the thermal damage resistance is characterized in that the metal bottom plate, the semiconductor refrigerating sheet, the metal heat sink, the thermistor and the SESAM chip are welded by adopting solder instead of the existing glue for bonding, so that the pollution of the SESAM caused by the use of the glue is avoided, and the semiconductor saturable absorption mirror has the advantages of excellent heat dissipation performance, wide working temperature range, high reliability, good long-term stability, long service life and the like, and the thermal damage resistance of the SESAM chip is greatly improved.)
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜及其制作方法。
背景技术
半导体可饱和吸收镜(SESAM，Semiconductor SaturableAbsorberMirror)的基本结构是将反射镜与可饱和吸收体结合在一起，常被当作激光腔内的一个腔镜使用(参见说明书附图中的图1所示)。一般地，最下层是采用GaAs材料制作的基底，在基底上面是AlAs-AlGaAs布拉格全反镜，一层可饱和吸收体薄膜生长在布拉格全反镜上，最上层是一层半导体材料制作的反射镜，或者直接将半导体与空气的界面作为反射镜，这样就形成了一个法布里-珀罗腔。
SESAM作为超快激光器的核心锁模元件，能够用于产生皮秒或飞秒激光脉冲。其基本过程是，通过可饱和吸收体的损耗机制，连续激光器中杂乱的多脉冲可以被调制成有规律的超短脉冲串。可饱和吸收体在强光下被漂白，可以使大部分腔内能量通过可饱和吸收体到达反射镜，并再次反射回激光腔中；在弱光下，表现为吸收未饱和的特性，吸收掉所有入射光，有效的把这部分弱光从激光腔中去除掉，表现了调Q锁模的抑制作用。而且由于吸收掉了脉冲前沿部分，脉冲宽度在反射过程中会逐渐变窄，在谐振腔内经多次重复该过程，可以实现稳定的锁模脉冲输出。
在超快激光器中，造成SESAM损伤主要有两个原因：1)由于激光导致SESAM温度升高而引起的热损伤；2)非热损伤，尤其是由于腔内的调Q不稳定性产生的强脉冲对其造成的损伤。由于一般通过选择低调制深度和适当饱和能量阈值的SESAM和优化激光谐振腔设计，可以有效抑制调Q不稳定性引起的非热损伤。因此研究人员重点关注的是如何降低SESAM的热损伤。在降低SESAM的热损伤方面，目前采用的主要措施包括：1)将SESAM芯片通过紫外固化胶、热固化胶或导热硅胶粘贴在金属材料(如铜、铝等)底座上，然后对金属材料底座进行TEC控温、水冷散热、风冷散热或自然散热；2)将SESAM芯片贴装在FC型光纤接头处陶瓷插芯中心位置，四周采用光纤胶(如353ND)进行密封，再将该光纤接头通过导热硅脂、导热银胶或散热片等作为导热介质固定在带有FC适配器接口的金属热沉上。第二种方式，操作简单，全光纤结构有利于缩小激光器体积，提高激光器的稳定性，但是散热性能较差，使用寿命较短，与其相比，第一种方式，具有散热性好、SESAM面积较大，能够提供多次损坏机会，增长使用寿命等优点。由于以上两种方式在操作过程中均涉及到使用胶水固定SESAM芯片，易造成SESAM芯片表面污染，同时胶水固化后，脆性大，不耐冲击振动，耐老化性能差，从而影响SESAM的使用寿命和激光器的长期稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜及其制作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜，包括金属底板，在所述金属底板的顶部通过焊料焊接有半导体制冷片，在所述半导体制冷片上通过焊料焊接有金属热沉，在所述金属热沉的表面通过焊料粘贴有热敏电阻；所述金属热沉的一侧通过焊料焊接有SESAM芯片。
作为本实施例的优选，所述金属底板采用由铜、铝或可伐合金等金属材料加工而成。
作为本实施例的优选，在所述半导体制冷片的顶面和底面分别镀有百微米量级的金层膜。
作为本实施例的优选，所述金属热沉包括第一焊接体和第二焊接体；所述第一焊接体和第二焊接体通过焊料焊接在一起，所述第一焊接体与半导体制冷片焊接，所述第二焊接体与SESAM芯片焊接在一起。
作为本实施例的优选，所述第一焊接体为立方体结构，所述第二焊接体为圆柱体结构。
作为本实施例的优选，所述第一焊接体和第二焊接体的表面均镀有百微米量级的金层膜。
作为本实施例的优选，所述SESAM芯片包括SESAM芯片本体，在所述SESAM芯片本体的表面镀有镀金层。
作为本实施例的优选，所述SESAM芯片本体的大小应不大于第二焊接体中圆柱体的横截面面积。
本发明实施例还提供一种可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜的制作方法，具体包括以下步骤：
步骤一：用清洁材料对金属底板与金属热沉的焊接面、半导体制冷片的热面与冷面、热敏电阻、SESAM芯片的镀金面进行充分清洁；
步骤二：在金属底板其焊接面上放置适量的A焊料，将半导体制冷片的热面贴紧A焊料，加热至预设温度，持续一段时间，待金属底板和半导体制冷片的热面与A焊料充分浸润后，降至常温；
步骤三：将金属热沉中第一焊接体的焊接面上放置适量的A焊料，然后将热敏电阻贴紧A焊料，加热至预设温度，持续一段时间，待第一焊接体的焊接面和热敏电阻与A焊料充分浸润后，降至常温；
步骤四：将金属热沉中第一焊接体的与半导体制冷片焊接的焊接面上放置适量的B焊料，将半导体制冷片的冷面贴紧B焊料，加热至预设温度，待金属热沉中第一焊接体的焊接面与半导体制冷片分别与B焊料充分浸润后，降至常温；
步骤五：将金属热沉中第二焊接体的焊接面上放置适量的C焊料，将SESAM芯片贴紧C焊料，加热至预设温度，持续一段时间，待金属热沉中第二焊接体的焊接面和SESAM芯片与C焊料充分浸润后，降至常温；
步骤六：采用超声或者X光检测SESAM芯片的焊接面是否存在焊接空洞，如果存在焊接空洞，提高加热温度或延长加热时间，重复步骤五的操作步骤，直至检测无焊接空洞。
作为本实施例的优选，所述A焊料、B焊料和C焊料的熔点温度依次降低。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述的可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜，金属底板、半导体制冷片、金属热沉、热敏电阻和SESAM芯片之间均采用焊料焊接来代替现有的胶水粘接，不仅避免了使用胶水给SESAM带来的污染，而且具有散热性能优良、工作温度范围宽、可靠性高、长期稳定性好、使用寿命长等优点，大大提升了SESAM芯片的抗热损伤性能。
(2)本发明所述的可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜，金属底板、半导体制冷片、金属热沉均采用金属材料加工而成，进一步提升了SESAM的抗热损伤性能，同时通过半导体制冷片和热敏电阻的联合监控和降温可以为SESAM提供恒温工作环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的半导体可饱和吸收镜的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的半导体可饱和吸收镜的整体结构示意图；
图3为本发明实施例中所述金属热沉的结构示意图；
图4为本发明实施例中SESAM芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“水平”、“竖直”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图2至4所示，本发明实施例提供了一种可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜，具体包括以下几个部分：
金属底板01：金属底板01作为支撑热沉的，金属底板01可由铜、铝或可伐合金等金属材料加工而成(在本实施例中，金属底板01选用紫铜材料加工而成)，在金属底板01的顶部通过焊料(采用A焊料，A焊料为金锡焊片(Au10Sn90)，熔点温度为217℃)焊接有半导体制冷片02。
半导体制冷片02：半导体制冷片02用来对金属热沉03进行精确控温，为SESAM芯片05提供不超过±0.1℃的恒温工作环境，在本实施例中，半导体制冷片02可为方形或圆形等结构，半导体制冷片02的两个焊接面(与金属底板01焊接的焊接面为热面，与金属热沉03焊接的面为冷面)可通过采用电镀、蒸镀或离子束溅射等方式镀有百微米量级的金层膜。半导体制冷片02的冷面上通过焊料(采用B焊料，B焊料为铟银焊片(ln97Ag3)，熔点温度为143℃)焊接金属热沉03。
金属热沉03：金属热沉03的表面通过焊料(采用A焊料，A焊料为金锡焊片(Au10Sn90)，熔点温度为217℃)粘贴有热敏电阻04。参阅图2至3所示，金属热沉03包括第一焊接体03-1和第二焊接体03-2；其中，第一焊接体03-1和第二焊接体03-2通过焊料(采用C焊料，C焊料为铟锡焊片(ln52Sn48)，熔点温度为118℃)焊接在一起。所述第一焊接体03-1与半导体制冷片02焊接，所述第二焊接体03-2与SESAM芯片05焊接在一起。
在本实施例中，第一焊接体03-1为立方体结构，第二焊接体03-2为圆柱体结构，第一焊接体03-1和第二焊接体03-2的表面均镀有百微米量级的金层膜。其中，第一焊接体03-1和第二焊接体03-2的平面度均不超过0.02，第一焊接体03-1主要用来与镀金的半导体制冷片02进行焊接固定，第二焊接体03-2主要用来固定SESAM芯片05，同时实现对SESAM芯片05上累计热量的快速传导。
热敏电阻04：热敏电阻04通过焊料焊接在金属热沉03的表面上(具体的热敏电阻04焊接在第一焊接体03-1的前表面上)，热敏电阻04主要用来监控金属热沉03的温度变化，与镀金的半导体制冷片02一起，为SESAM芯片5的恒温工作构建温控反馈环路。
SESAM芯片05：参阅图4所示，SESAM芯片05包括SESAM芯片本体05-2，在SESAM芯片本体05-2的表面镀有镀金层05-1。SESAM芯片本体05-2的大小应不大于第二焊接体03-2中圆柱体的横截面面积。在使用过程中，由于SESAM芯片05的基底为GaAs材料，避免温度过高对SESAM芯片膜层的影响，选用熔点温度低的C焊料进行焊接。在本实施例中，镀金的SESAM芯片05，尺寸为1mm×1mm×0.3mm，在SESAM芯片05的GaAs基底镀厚度为20μm的金膜，工作波段为C波段，调制深度为20％，驰豫时间2ps。
在本实施例中，金属底板01、半导体制冷片02、金属热沉03、热敏电阻04和SESAM芯片05之间均采用焊料(具体参见上面的A焊料、B焊料、C焊料)焊接来代替现有的胶水粘接，不仅避免了使用胶水给SESAM带来的污染，而且具有散热性能优良、工作温度范围宽、可靠性高、长期稳定性好、使用寿命长等优点，大大提升了SESAM芯片的抗热损伤性能。
下面本发明实施例还提供一种可提高抗热损伤性能的半导体可饱和吸收镜的制作方法，包括以下制作步骤：
步骤S1：用清洁材料对金属底板01与金属热沉03的焊接面、半导体制冷片02的热面与冷面、热敏电阻04、SESAM芯片05的镀金面进行充分清洁。在本实施例中，采用无水乙醇(酒精)对金属底板01与金属热沉03的焊接面、镀金的半导体制冷片02的热面与冷面、热敏电阻04、镀金的SESAM芯片05的镀金面进行充分清洁。
步骤S2：在金属底板01其焊接面上放置适量的A焊料，将半导体制冷片2的热面贴紧A焊料，加热至预设温度，持续一段时间，待金属底板01和半导体制冷片02的热面与A焊料充分浸润后，降至常温。在本实施例中，将金属底板01固定在恒温加热炉上，将恒温加热炉的温度控制范围是0～500℃，温控精度为±1℃。然后在其焊接面上放置0.2g的A焊料，采用固定在三维微位移平台(在本实施例中，三维微位移平台用来固定真空吸嘴，并实现真空吸嘴在前后左右上下六个方向上的精确移动，三维微位移平台的精度不大于0.1mm)上的真空吸嘴加持镀金的半导体制冷片02并将其热面贴紧A焊料，三维微位移平台的精度为0.1mm，恒温加热炉升温至230℃，持续10s，使金属底板01和镀金的半导体制冷片02的热面与A焊料充分浸润后，将恒温加热炉降至常温25℃，移开真空吸嘴。
步骤S3：将金属热沉03中第一焊接体03-1的焊接面上放置适量的A焊料，然后将热敏电阻04贴紧A焊料，加热至预设温度，持续一段时间，待第一焊接体03-1的焊接面和热敏电阻04与A焊料充分浸润后，降至常温。在本实施例中，将金属热沉03固定在恒温加热炉上，然后在第一焊接体03-1的立方体部分侧面的焊接面上放置适量的A焊料，采用真空吸嘴加持住热敏电阻04贴紧A焊料，恒温加热炉升温至230℃，持续15s，使金属热沉03的第一焊接体03-1立方体部分侧面的焊接面和热敏电阻04与A焊料充分浸润后，将恒温加热炉降至常温25℃，移开真空吸嘴。
步骤S4：将金属热沉中第一焊接体03-1的与半导体制冷片02焊接的焊接面上放置适量的B焊料，将半导体制冷片02的冷面贴紧B焊料，加热至预设温度，待金属热沉03中第一焊接体03-1的焊接面与半导体制冷片02分别与B焊料充分浸润后，降至常温。在本实施例中，热敏电阻04焊接完成后，将金属热沉03的03-1立方体部分的焊接面朝上置于恒温加热炉上，采用真空吸嘴加持住金属底板01，然后在03-1立方体部分的焊接面上放置0.1g的B焊料，并将镀金的TEC冷面贴紧B焊料，恒温加热炉升温至160℃，持续10s，使金属热沉03的03-1立方体部分的焊接面和镀金的TEC冷面与B焊料充分浸润后，将恒温加热炉降至常温25℃，移开真空吸嘴。
步骤五：将金属热沉03中第二焊接体03-2的焊接面上放置适量的C焊料，将SESAM芯片5贴紧C焊料，加热至预设温度，持续一段时间，待金属热沉03中第二焊接体03-2的焊接面和SESAM芯片5与C焊料充分浸润后，降至常温。在本实施例中，将金属热沉03的第二焊接体03-2圆柱体部分的焊接面朝上置于恒温加热炉上，然后在第二焊接体03-2圆柱体部分的焊接面上放置0.05g的C焊料，采用真空吸嘴加持住镀金的SESAM芯片05，并将SESAM芯片05的镀金面贴紧C焊料，恒温加热炉升温至130℃，持续5s，使金属热沉03的第二焊接体03-2圆柱体部分的焊接面和SESAM芯片05的镀金面与C焊料充分浸润后，将恒温加热炉降至常温25℃，移开真空吸嘴。
步骤六：采用超声或者X光检测SESAM芯片05的焊接面是否存在焊接空洞，如果存在焊接空洞，提高加热温度或延长加热时间，重复步骤五的操作步骤，直至检测无焊接空洞，若不存在焊接空洞，说明焊接效果良好。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限定本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。