CN117833011B - 半导体激光器的分束封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体激光器的分束封装结构，半导体激光器的分束封装结构包括：底座和连接于底座上的半导体激光器；封装框架，封装框架和底座密封连接形成密闭腔室，以使半导体激光器位于密闭腔室中，封装框架包括与半导体激光相对的对向侧壁；透镜结构，透镜结构与封装框架一体成型，透镜结构自对向侧壁的内侧朝向半导体激光器突出并位于密闭腔室中；以及衍射光学元件，衍射光学元件设置于对向侧壁的外侧并位于密闭腔室之外；其中，半导体激光器发射的激光光束，于透镜结构中准直后，再由衍射光学元件分束并形成多束平行光出射。

Description

半导体激光器的分束封装结构

技术领域

本发明涉及原子物理领域，特别关于一种半导体激光器的分束封装结构。

背景技术

通过操控原子量子态变化，实现原子物理特性研究、精密测量的技术，可以应用在量子通信，原子钟，原子重力仪，量子模拟等多个领域。在这些应用领域中涉及到激光与原子之间的作用，考虑到一些应用场景需要多束激光与原子进行作用，现采用对激光分束的方式，而现有技术中未关注到如何对半导体激光器分束，并将其用于原子跃迁的物理场景。

此外，现有技术中对激光器分束，多采用偏振分束器进行分束，光路复杂，需要利用到较多光学元件及装置，如果采用光束分束器或者镀膜分束的方案，光学系统容易受温度影响，稳定性差。同时容易引入额外的光程差，在与原子系统（或者分子系统）作用时，额外的光程差容易导致相位差，从而影响探测的噪声水平。

因此，需要提出一种基于半导体激光器分束的封装结构，能够用于原子跃迁的物理场景下探测。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种半导体激光器的分束封装结构。

本发明提供一种半导体激光器的分束封装结构，包括：底座和连接于所述底座上的半导体激光器；封装框架，所述封装框架和所述底座密封连接形成密闭腔室，以使所述半导体激光器位于所述密闭腔室中，所述封装框架包括与所述半导体激光相对的对向侧壁；透镜结构，所述透镜结构与所述封装框架一体成型，所述透镜结构自所述对向侧壁的内侧朝向所述半导体激光器突出并位于所述密闭腔室中；以及衍射光学元件，所述衍射光学元件设置于所述对向侧壁的外侧并位于所述密闭腔室之外；其中，所述半导体激光器发射的激光光束，于所述透镜结构中准直后，再由所述衍射光学元件分束并形成多束平行光出射。

作为可选的技术方案，所述衍射光学元件通过光学胶固定于所述对向侧壁的外侧。

作为可选的技术方案，所述衍射光学元件远离所述对向侧壁的一侧设有微透镜阵列，所述微透镜阵列用于对所述衍射光学元件中出射的多束平行光进行准直后出射。

作为可选的技术方案，所述对向侧壁包括垫高部，所述垫高部的顶部突出于所述对向侧壁的内侧未设置所述垫高部的区域，所述透镜结构设置所述垫高部的顶部；其中，所述封装框架、所述垫高部和所述透镜结构一体成型。

作为可选的技术方案，所述封装框架和所述底座压焊连接以形成所述密闭腔室。

作为可选的技术方案，所述衍射光学元件远离所述对向侧壁的一侧依序设有隔离层和遮光部，所述遮光部仅遮挡所述隔离层的光出射面的局部区域。

作为可选的技术方案，所述遮光部设置于所述隔离层的中心。

作为可选的技术方案，所述隔离层为玻璃隔离层。

作为可选的技术方案，所述分束元件具有一预设分束角θ，所述隔离层具有一预设厚度t，其中，所述遮光部的宽度l ＜2t*tanθ/2。

作为可选的技术方案，所述透镜结构为凸透镜。

与现有技术相比，本发明提供的一种半导体激光器的分束封装结构，将半导体激光器和包括光学透镜和分束元件的封装框架进行封装形成封装结构，能够实现对半导体激光器的准直和分束。其中，上述半导体激光器的分束封装结构装置具有如下技术优势：

1. 衍射光学元件采用DOE（Diffractive Optical Element）体积和重量小，光路结构简单，分束封装结构钟所需光学元器较少，DOE本身的微透镜阵列的使用相比于传统光学元件更加微型，便利，轻量，并且高度集成。

2. 灵活性，得益于微纳加工技术的长足发展，DOE可以针对不同的激光器或不同的目标光强/位相分布进行订制。

3. 占据空间小，易于实现，无偏振分束器，因此分束后的平行光不存在光程差的影响。

4. 采用光学元件堆叠的方式，可在内部直接实现对光束的准直需求，避免外部环境对光路的影响，光束稳定性得到提高，用于原子跃迁的物理场景下的探测，探测结果更准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明一实施例中的半导体激光器的分束封装结构的剖面示意图；

图2为本发明另一实施例中的半导体激光器的分束封装结构的剖面示意图；

图3为本发明又一实施例中的半导体激光器的分束封装结构的剖面示意图；

图4为图3中衍射光学元件、隔离层和遮光层布置关系的示意图；

图5为为本发明又一实施例中的半导体激光器的分束封装结构的剖面示意图；

图6为为本发明再一实施例中的半导体激光器的分束封装结构的剖面示意图。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。

如图1所示，本发明提供一种半导体激光器的分束封装结构，包括：底座20和连接于底座20上的半导体激光器30；封装框架10，封装框架10和底座20密封连接形成密闭腔室70，以使半导体激光器30位于密闭腔室70中，封装框架10包括与半导体激光器30相对的对向侧壁12；透镜结构11，透镜结构11与封装框架10一体成型，透镜结构11自对向侧壁12的内侧朝向半导体激光器30突出并位于密闭腔室70中；以及衍射光学元件40，衍射光学元件40设置于对向侧壁12的外侧并位于密闭腔室70之外；其中，半导体激光器30发射的激光光束，于透镜结构11中准直后，再由衍射光学元件40分束并形成多束平行光出射。

本实施例中，封装框架10和透镜结构11一体成型，衍射光学元件40通过光学胶固定于封装框架10的对向侧壁12的外侧，使得采用半导体激光器30的分束封装结构整体体积小。

在一实施例中，半导体激光器30为半导体激光器芯片；衍射光学元件40为DOE衍射分束器，其通过使用制作在基板材料上的微结构图案，改变穿过DOE衍射分束器的传播光的相位，实现对光束分束后输出。可以理解的是，DOE衍射分束器表面的微结构图案是可以根据实际分束需要定制的，因此，其使得本发明的半导体激光器的分束封装结构的使用场景可以依据实际分束需要定制不同的DOE衍射分束器，具备使用灵活性。

另外，根据激光光束性质可知，激光光束腰越小，发散角越大。本实施例中，半导体激光器30以VCSEL 半导体激光器为例，VCSEL 半导体激光器的光束会呈现圆锥形发散，发散角可以达到 20 度左右，因此，在激光光束的出射路径上增加透镜结构11，透镜结构11用于对激光光束进行整形准直，并增大其束腰，降低其发散角，并使得激光光束获得一较长的瑞利距离，使准直后的光束具有良好的准直性。

由上述可知，采用透镜结构11对半导体激光器30的激光光束进行准直，控制激光光束的发散角小于DOE衍射分束器的发散角，避免DOE衍射分束器不能将激光光束分离开的情形。因此，本实施例中，将透镜结构11设置在半导体激光器30和DOE衍射分束器（或者衍射光学元件40）之间并获得多束平行激光束的必要条件之一。其中，对于原子跃迁的物理场景而言，多束平行激光光束对用于原子跃迁的物理场景的探测准确度具有有效效果。

在本发明另一实施中，衍射光学元件40远离对向侧壁11的一侧依序设有凸透镜和微透镜阵列，凸透镜和微透镜阵列用于对衍射光学元件中出射的多束激光光束进行二次准直后平行出射。凸透镜用于改变分束主光轴方向，对激光分束进行二次整形，使得分束间主光轴平行，而后再通过微透镜阵列，对经过二次整形发散的分束进行再次整形，至此，所获得激光分束具有良好的准直性且高度平行，满足要求。

在本发明其他实施例中，衍射光学元件40远离对向侧壁11的一侧依序设置微透镜阵列，于微透镜阵列之后设置凸透镜，经过微透镜阵列和凸透镜分别对衍射光学元件40中出射的分束后的激光光束进行多次准直、改变出射方向，进而控制分束后的激光光束准直性能够满足原子跃迁的物理场景下的使用要求。

当然可以理解的是，上述微透镜阵列和凸透镜可以是通过光学胶固定在衍射光学元件40远离对向侧壁11的后方，其中，通过增加隔离层的方式分别调整微透镜阵列和凸透镜与衍射光学元件40之间的间距。隔离层例如是透明隔离层，包括但不限透明玻璃隔离层。

继续参照图1，理想状态下，半导体激光器30出射的激光经衍射光学元件40分束后，需要经另一凸透镜80进行整形，二次整形后的光束发散前存在一段瑞利距离，该段瑞利距离内激光分束具有较高的准直度及平行度，当应用于原子跃迁的物理场景探测时，若激光光束与原子作用距离位于该段距离内时，原子探测装置内则不需再加入其他光学元件。

如图1所示，半导体激光器的分束封装结构中，半导体激光器30的激光分束前需对其进行整形准直，因此在封装结构中激光首次经透镜结构11整形后激光发散角需小于光学衍射元件40的分散角，最大不能超过衍射光学元件40的分散角，才能准直为平行光为理想状态。因此，需要将透镜结构11靠近半导体激光器30，透镜结构11为凸透镜，凸透镜对激光整形后控制激光入射至光学衍射元件40的光斑较小，从而使激光从光学衍射元件40中出射光斑较小，有利于激光分束分开。

本实施例中，透镜结构11和封装框架10一体成型，例如为模压成型。封装框架10与半导体激光器30的底座20间采用压焊的方式完成半导体激光器30和封装框架10 的封装。其中，衍射光学元件40可以是预先固定在封装框架10的对向侧壁12上形成预封装体，预封装体再和半导体激光器30的底座封装并形成密闭腔室70。至此，半导体激光器30封装实现了利用衍射光学元件40进行分束，且根据实际需求，底座20部分可以采用玻璃材质，该封装结构则除了实现分束外还具有了无磁的特性

可以理解的是，半导体激光器30出射的激光需经凸透镜（透镜结构11）整形发生折射后还需要一定的出射距离，入射至光学衍射元件40中进行分束。因此，可以根据该出射距离设定框架10的对向侧壁12的厚度，控制对向侧壁12的厚度和上述出射距离大致相等，经凸透镜整形过的激光光束出射至光学衍射元件40中实现激光分束。

如图2所示，为了实现对向侧壁12的厚度调节，并避免封装框架10的体积变大，对向侧壁12包括垫高部13，垫高部13的顶部突出于对向侧壁11的内侧未设置垫高部的区域，透镜结构11设置垫高部13的顶部；其中，封装框架10、垫高部13和透镜结构11一体成型。

如图5所示，在本发明的其他实施例中，衍射光学元件40远离对向侧壁12的一侧还可以设置一凹透镜90，凹透镜90用于对经衍射光学元件40分束后的激光光束进行分离处理，扩大分束后的激光光束的分离角后出射。

如图6所示，进一步，凹透镜90远离衍射光学元件40的一侧还可以增加凸透镜91，凸透镜91用于将从凹透镜90中出射的激光光束经再次整形后出射，以形成平行的分束激光。

如图3所示，衍射光学元件40远离对向侧壁12的一侧依序设有隔离层50和遮光部60，遮光部60仅遮挡隔离层50的光出射面的局部区域。

本实施例中，遮光部60遮挡于隔离层50的中心；隔离层50为玻璃隔离层。

隔离层50和遮光层60的设置，主要是考虑到物理场景需求，不需要中心的激光分束，利用遮光层60对不同区域进行遮挡，实现利用不同区域出射的分束激光。例如：当不需要中心的激光分束，可对中心区域的激光分束进行遮挡处理。

如图3和图4所示，由于激光出射至衍射光学元件40上表面时，激光分束间分离距离较小，难以进行遮挡处理，在衍射光学元件40上方添加一具有一定厚度的玻璃隔离层，再将用作遮挡的遮光层60置于玻璃隔离层上方。

其中，遮光层60的宽度l与玻璃的厚度h二者之间的关系如下：分束元件具有一预设分束角θ，隔离层具有一预设厚度t，其中，遮光部的宽度l＜2t*tanθ/2。

以衍射光学元件40分离度10°为例，l<2h*tan5°，衍射光学元件40与玻璃隔离层50，玻璃隔离层50与遮光层60分别利用光学胶固定连接。

在本发明其他实施例中，遮光层60还可以是印刷在隔离层50上方的遮光图案。

本发明提供的上述半导体激光器的分束封装结构由于采用封装框架和半导体激光器的底座封装的方式，因此，可以兼容现有的TO（Transisitor Outline）封装， QFN（QuadFlat No-leads Package，方形扁平无引脚封装）封装工艺。

本发明提供的一种半导体激光器的分束封装结构，将半导体激光器和包括光学透镜和分束元件的封装框架进行封装形成封装结构，能够实现对半导体激光器的准直和分束。其中，上述半导体激光器的分束封装结构具有如下技术优势：

1. 衍射光学元件采用DOE（Diffractive Optical Element）体积和重量小，光路结构简单，分束封装结构钟所需光学元器较少，DOE本身的微透镜阵列的使用相比于传统光学元件更加微型，便利，轻量，并且高度集成。

2. 灵活性，得益于微纳加工技术的长足发展，DOE可以针对不同的激光器或不同的目标光强/位相分布进行订制。

3. 占据空间小，易于实现，无偏振分束器，因此分束后的平行光不存在光程差的影响。

4. 采用光学元件堆叠的方式，可在内部直接实现对光束的准直需求，避免外部环境对光路的影响，光束稳定性得到提高，用于原子跃迁的物理场景下的探测，探测结果更准确。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。此外，上面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体激光器的分束封装结构，应用于原子跃迁的物理场景探测，其特征在于，所述半导体激光器的分束封装结构包括：

底座和连接于所述底座上的半导体激光器，所述半导体激光器为半导体激光器芯片；

封装框架，所述封装框架和所述底座密封连接形成密闭腔室，以使所述半导体激光器位于所述密闭腔室中，所述封装框架包括与所述半导体激光器相对的对向侧壁；

透镜结构，所述透镜结构与所述封装框架一体成型，所述透镜结构自所述对向侧壁的内侧朝向所述半导体激光器突出并位于所述密闭腔室中；以及

衍射光学元件，所述衍射光学元件设置于所述对向侧壁的外侧并位于所述密闭腔室之外；所述衍射光学元件固定于所述对向侧壁的外侧；所述衍射光学元件为DOE衍射分束器，其通过使用制作在基板材料上的微结构图案，改变穿过所述DOE衍射分束器的传播光的相位，实现对激光光束分束后输出；

其中，所述透镜结构靠近所述半导体激光器且在所述半导体激光器发射的激光光束的出射路径上，所述半导体激光器发射的激光光束直接于所述透镜结构中准直后，再由所述DOE衍射分束器分束并形成多束平行光出射；

所述对向侧壁还包括垫高部，所述垫高部的顶部突出于所述对向侧壁的内侧未设置所述垫高部的区域，所述透镜结构设置所述垫高部的顶部，所述垫高部调节所述对向侧壁的厚度，所述对向侧壁的厚度等于所述半导体激光器出射的激光光束经所述透镜结构准直后需要的出射距离。

2.如权利要求1所述的半导体激光器的分束封装结构，其特征在于，所述衍射光学元件通过光学胶固定于所述对向侧壁的外侧。

3.如权利要求1所述的半导体激光器的分束封装结构，其特征在于，所述衍射光学元件远离所述对向侧壁的一侧设有微透镜阵列，所述微透镜阵列用于对所述衍射光学元件中出射的多束平行光进行二次准直后出射。

4.如权利要求1所述的半导体激光器的分束封装结构，其特征在于，所述封装框架、所述垫高部和所述透镜结构一体成型。

5.如权利要求1所述的半导体激光器的分束封装结构，其特征在于，所述封装框架和所述底座压焊连接以形成所述密闭腔室。

6.如权利要求1所述的半导体激光器的分束封装结构，其特征在于，所述衍射光学元件远离所述对向侧壁的一侧依序设有隔离层和遮光部，所述遮光部仅遮挡所述隔离层的光出射面的局部区域。

7.如权利要求6所述的半导体激光器的分束封装结构，其特征在于，所述遮光部设置于所述隔离层的中心。

8.如权利要求6所述的半导体激光器的分束封装结构，其特征在于，所述隔离层为玻璃隔离层。

9.如权利要求6所述的半导体激光器的分束封装结构，其特征在于，所述分束元件具有一预设分束角θ，所述隔离层具有一预设厚度t，其中，所述遮光部的宽度l ＜2t*tanθ/2。

10.如权利要求1所述的半导体激光器的分束封装结构，其特征在于，所述透镜结构为凸透镜。