专利名称：一种紧凑型固体激光非线性频率变换芯片封装结构的制作方法
技术领域：
本专利涉及一种非线性光学晶体频率变换芯片封装结构，适用于便携式激光投影显示，以及采用固体激光非线性频率变换光源的领域。
背景技术：
近年来，激光微型投影显示产业迫切需要较高功率的红，绿，蓝三基色激光器(每种颜色需要的功率从150mW到1W)。虽然630nm红光可以由镓砷磷(GaAsP)半导体激光器直接产生，蓝光可以由铟镓氮(InGaN)半导体激光器直接产生，但是由半导体材料，例如，铟镓氮材料直接产生绿光(约530nm)激光离商用化还有很大距离，即目前半导体绿光激光器存在功率低、效率低、寿命短以及价格昂贵等缺点。因此高效率、高功率、高可靠、低成本绿光激光器成为了激光投影显示产业的瓶颈。 通过二极管泵浦固体激光器倍频产生的紧凑型绿光激光器是目前绿光激光器的最佳途径。将掺钕的钒酸钇晶体(Nd:YV04，以下简称Nd = YVO4)和掺5%氧化镁的周期极化铌酸锂晶体(MgO:PPLN，以下简称MgO = PPLN)通过胶合，光胶，以及分立封装等三种技术制作的紧凑型绿光激光芯片可以覆盖从几百毫瓦到瓦级的绿光输出。众所周知，由于MgO:PPLN是通过准相位匹配(QPM)技术来实现1064nm到532nm的倍频输出，因此输入到MgO: PPLN晶体的基频光(1064nm)和产生的倍频光(532nm)的偏振态需要与晶体的光轴(即z轴)平行一致。同时产生基频光的激光器晶体Nd:YVOJ^ π偏振方向(平行于晶体的光轴ζ)对泵浦光的吸收系数比σ偏振方向(垂直于晶体的光轴ζ)要大四倍，并且Nd:YVOJ^ π偏振方向(平行于晶体的光轴ζ)的激光增益比σ偏振方向(垂直于晶体的光轴ζ)的要大七倍，因此在受激发射过程中基频光是η偏振方向(平行于晶体的光轴ζ)。在制作胶合，光胶，以及分立封装等三种绿光芯片的过程中，Nd = YVO4的光轴和MgO: PPLN的光轴必须是一致的。同时808nm泵浦激光二极管的偏振方向也要与Nd = YVO4的光轴和MgO = PPLN的光轴是保持一致，以保证808nm泵浦激光二极管的功率尽量大地被Nd = YVO4晶体吸收。然而，一方面，目前广泛应用的准相位匹配晶体，例如MgO: PPLN,由于采用的是芯圆晶生产工艺，因此提供的圆晶厚度决定了生产的MgO = PPLN晶体的厚度(即光轴方向的长度)一般为O. 5mm，生产出的MgO = PPLN芯片的横截面一般为l_3mm宽和O. 5mm高O。这样如果将Nd = YVO4和MgOiPPLN通过胶合,光胶或分立型的芯片平放在金属导热平面上时，他们的光轴方向都为垂直于该平面，因此需要垂直偏振(TM)的808nm半导体光激光器泵浦才能实现最大绿光输出。另一方面，目前生产的808nm招镓砷大功率半导体激光器一般工作于横向偏振(TE)模式，即产生的激光偏振方向是平行于量子阱以及pn结方向。同时半导体激光器管芯是以平行于量子阱以及pn结的方向焊接在金属热沉上，而将金属热沉安装在金属导热平面上时这就导致该激光器的偏振方向也是平行于该金属封装平面。因此对于传统的绿光激光芯片封装方法，即把808nm泵浦半导体激光器和Nd: YV04/Mg0: PPLN胶合，光胶，以及分立型芯片同时安装在同一个金属导热平面上时，就会产生偏振不兼容性问题。发明内容为了克服808nm泵浦光的偏振方向和基于Nd:YV04/Mg0:PPLN的胶合，光胶，以及分立型绿光芯片之间的偏振方向不兼容性问题，本专利提供一种非线性光学晶体封装结构，该结构及其变化结构可以方便的解决泵浦光和绿光芯片的偏振方向不兼容性。为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种紧凑型固体激光非线性频率变换芯片封装结构，其特征是，该芯片封装在圆形金属导热夹具或方形金属导热夹具内，同时该芯片的光轴平行于用于安装该芯片的金属导热平面。进一步地，该非线性频率变换芯片可以是将固体激光晶体和非线性频率变换晶体 通过胶合，光胶，以及分立封装的芯片。进一步地，该非线性频率变换芯片沿其光轴层叠在一起形成层叠结构；并将该层叠结构封装在方形金属导热夹具中。进一步地，该非线性频率变换芯片层叠结构的光轴平行于所述的金属导热平面。进一步地，该非线性频率变换芯片层叠结构的每一个芯片的中心与泵浦用的半导体激光器条上每个发光单元中心对准。本专利解决其技术问题所采用的技术方案是通过将非线性光学晶体转动90度，使其是准相位匹配晶体的光轴和泵浦半导体激光器的偏振方向一致，所以能够获得最大的绿光输出。本专利的有益效果是，采用该封装结构，用于泵浦的半导体激光器和非线性频率变换芯片可以方便的安装而不必考虑偏振兼容性问题。
以下结合附图
和实施例对本发明进一步说明。图I给出了本发明第一实施例的结构示意图；图2给出了本发明第二实施例的结构示意图；图3给出了本发明第三实施例的结构示意图；图4给出了本发明第四实施例的结构示意图。
具体实施方式
图I给出了本发明第一实施例的结构示意图(前视图)，其中I非线性频率变换芯片，由于泵浦半导体激光器的偏振是横向偏振(TE)，因此通常安装在金属导热平面上的半导体激光器其偏振方向也是水平方向。为了与泵浦半导体激光器的偏振(TE)兼容，首先将非线性频率变换芯片I封装于一方形金属夹具2之中，然后将方形金属夹具2转动90度，使非线性频率变换芯片I的光轴与水平方向一致。非线性频率变换芯片I和方形金属夹具2之间含有导热物质3。导热物质3包括但并不局限于，导热硅脂，导热环氧树脂，导热胶水，以及金属焊料。在一个具体的实施例中，非线性频率变换芯片I是掺5%氧化镁的周期极化铌酸锂晶体(MgO = PPLN)，该晶体的几何尺寸为Imm(长)*2mm(宽)*0· 5mm(高)。MgOiPPLN封装在金属夹具2内，该金属夹具的材料为，但并不局限于紫铜，黄铜，以及铝。在另一个具体实施例中，非线性频率变换芯片I是Nd: YV04/Mg0:PPLN胶合芯片。该芯片的几何尺寸为2mm (长)*2mm(宽)*0. 5mm (高)。在另一个具体的实施例中，非线性频率变换芯片I是Nd:YV04/Mg0:PPLN光胶芯片。该芯片的几何尺寸为2mm(长)*2mm(宽)*0. 5mm(高)。在另一个具体的实施例中，非线性频率变换芯片I是Nd:YV04/Mg0:PPLN分立型芯片。该芯片的几何尺寸为3至7mm(长)*2mm(宽)*0· 5mm(高)。当然，上述胶合，光胶，以及分立型绿光芯片封装方式中，Nd = YVO4和MgO = PPLN晶体的光轴ζ保持一致。图2给出了本发明第二实施例的结构示意图(前视图)，其中4为非线性频率变换芯片叠层。非线性频率变换芯片叠层4是通过将几个非线性频率变换芯片I按沿光轴的方向层叠在一起。非线性频率变换芯片叠层4中的非线性频率变换芯片I之间可通过导热物质3粘接在一起。非线性频率变换芯片叠层4和方形金属夹具2之间也使用导热物质3粘接在一起。导热物质3包括但并不局限于，导热硅脂，导热环氧树脂，导热胶水，以及金属焊料。非线性频率变换芯片叠层4封装在方形金属夹具2中，并且使得非线性频率变换芯片叠层4的光轴与水平方向一致。该非线性频率变换芯片叠层4适用于泵浦半导体激光器阵列条泵浦，即该非线性频率变换芯片叠层4中的每一个非线性频率变换芯片I的中心与泵浦半导体激光器阵列条上每个发光单元中心对准。在一个具体的实施例中，非线性频率变换芯片叠层4中的非线性频率变换芯片I之间的中心间距为500Mm。与 之对应的泵浦半导体激光器阵列条上每个发光单元中心间距也为500Mm。非线性频率变换芯片叠层4可以由MgO:PPLN芯片，Nd:YV04/Mg0:PPLN胶合芯片，Nd:YV04/Mg0:PPLN光胶芯片，以及Nd:YV04/Mg0:PPLN分立型芯片层叠而构成。使用Nd: YV04/Mg0:PPLN胶合和Nd: YV04/Mg0: PPLN光胶时，可先将Nd: YVO4和MgO: PPLN分别叠层，然后胶合或光胶。也可先将Nd = YVO4和MgO:PPLN胶合或光胶，然后再叠层。使用Nd: YV04/Mg0:PPLN分立型结构时，可先将Nd: YVO4和MgO: PPLN分别叠层，然后进行分立型封装。图3给出了本发明第三实施例的结构示意图(前视图)，其中5为圆形金属夹具。该结构中，为了与泵浦半导体激光器的偏振(TE)兼容，首先将非线性频率变换芯片I封装于一圆形金属夹具5之中，然后将圆形金属夹具5转动90度，使非线性频率变换芯片I的光轴与水平方向一致。非线性频率变换芯片I和圆形金属夹具5之间通过导热物质3粘接在一起。非线性频率变换芯片I的光轴与水平方向一致。导热物质3包括但并不局限于，导热硅脂，导热环氧树脂，导热胶水，以及金属焊料。非线性频率变换芯片I为MgO:PPLN芯片，Nd: YV04/Mg0: PPLN 胶合芯片，Nd: YV04/Mg0: PPLN 光胶芯片，或者 Nd: YV04/Mg0: PPLN 分立型芯片。与方形金属夹具相比，圆形金属夹具具有加工简单的特点。图4给出了本发明第四实施例的结构示意图(前视图)，其中5为圆形金属夹具。非线性频率变换芯片叠层4和圆形金属夹具5之间使用导热物质3粘接在一起。非线性频率变换芯片叠层4封装在圆形金属夹具5中，并且使得非线性频率变换芯片叠层4的光轴与水平方向一致。非线性频率变换芯片叠层4可以由MgO: PPLN芯片，Nd: YV04/Mg0: PPLN胶合芯片，Nd: YV04/Mg0: PPLN光胶芯片，以及Nd: YV04/Mg0: PPLN分立型芯片层叠而构成。需要指出的是，以上以Nd:YV04/Mg0:PPLN非线性倍频为例说明了本发明的基本思想。显然，本发明可应用于基于倍频以外，例如差频、和频等非线性过程的激光光源。同时还需要指出的是，以上用于胶合，光胶和分立型芯片的激光晶体可为其他掺钕的钒酸盐晶体，如掺钕钒酸钆(NchGdVO4)等，而准相位匹配的非线性倍频晶体可以为其他铁电晶体，例如周期极化的钽酸锂(PPLT)，PPKTP等。
权利要求1.一种紧凑型固体激光非线性频率变换芯片封装结构，其特征是，该芯片封装在圆形金属导热夹具或方形金属导热夹具内，同时该芯片的光轴平行于用于安装该芯片的金属导热平面。
2.根据权利要求I所述的非线性频率变换芯片封装结构，其特征是，该非线性频率变换芯片可以是将固体激光晶体和非线性频率变换晶体通过胶合，光胶，以及分立封装的芯片。
3.根据权利要求I或2所述的非线性频率变换芯片封装结构，其特征是，该非线性频率变换芯片沿其光轴层叠在一起形成层叠结构；并将该层叠结构封装在方形金属导热夹具中。
4.根据权利要求3所述的非线性频率变换芯片封装结构，其特征是，该非线性频率变换芯片层叠结构的光轴平行于所述的金属导热平面。
5.根据权利要求3所述的非线性频率变换芯片封装结构，其特征是，该非线性频率变换芯片层叠结构的每一个芯片的中心与泵浦用的半导体激光器条上每个发光单元中心对准。
专利摘要本实用新型提供了一种紧凑型固体激光非线性频率变换芯片封装结构，该芯片封装在圆形金属导热夹具或方形金属导热夹具内，同时该芯片的光轴平行于用于安装该芯片的金属导热平面。本实用新型的有益效果是，采用该封装结构，用于泵浦的半导体激光器和非线性频率变换芯片可以方便的安装而不必考虑偏振兼容性问题。
文档编号G02F1/35GK202721332SQ20112046564
公开日2013年2月6日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年11月22日
发明者徐庆扬, 路洋, 苏红平, 李向阳 申请人:南京长青激光科技有限责任公司, C2C晶芯科技公司