一种半导体激光模块、制备方法以及激光杀虫装置

1.本发明涉及激光领域，特别涉及一种半导体激光模块、制备方法以及激光杀虫装置。


背景技术：

2.半导体激光器是利用半导体材料作为工作物质的激光器，具有激光功率高、电光转换效率高、功耗低、体积小、重量轻、可直接电泵浦等优势，在激光加工、激光消杀等领域具有广泛的应用前景。其中，激光消杀是采用高功率半导体激光器模块作为光源的一种物理除虫方法，需要将高功率密度的激光辐照农作物害虫，利用激光的生物热效应破坏或者消融害虫虫体，达到消灭农作物害虫的目的，该方法具有无接触、速度快、功耗低、无农残污染、绿色环保等优势。目前，现有激光杀虫装置主要是依托于计算机(中国专利申请201910727698.x)、自动机械(中国专利申请201910020838.x)或者农业互联网(中国专利申请201620192349.4、202022305560.1)技术的自动化激光杀虫装置，上述装置需要农业互联网、计算机等配套装备，比较适用于植物工厂等设施完善的应用场景，考虑到我国大部分温室大棚的电气化程度不高，需要一种可人工手持操作的小型化激光杀虫装置，为保证提高除虫的工作效率及效果，就对该半导体激光装置的输出光斑形貌和功率密度均匀性提出了较高的要求，其中功率密度均匀的呈线状光斑分布的激光束是一种比较理想的激光消杀工作方式，可以作为自动消杀机械的激光模块或者人工手持消杀光源，适用全自动的植物工厂、现代化温室大棚以及普通大棚等多种应用场景。
3.现有的输出线光斑的半导体激光模块主要包括基于复杂透镜组的光纤输出激光模块、基于慢轴准直镜的线光斑激光模块等多种输出线状光斑的半导体激光模块。
4.尽管输出线光斑的半导体激光模块在提高输出功率和功率密度方面取得了很大的进步，但是各类型的线光斑半导体激光模块仍存在各种问题。
5.基于复杂透镜组的光纤输出激光模块(中国专利申请201921003373.2、202023349208.4)，通常在将半导体激光芯片的激光经过透镜、棱镜以及光纤的光学元件进行聚焦和整形，获得输出线状光斑的光纤耦合半导体激光模块，该系统至少需要5个透镜才能完成激光束的整形，导致系统结构复杂，调装时间长，成本较高。
6.基于慢轴准直镜的线光斑激光模块(中国专利申请201610542992.x)，通常采用多个沿快轴方向垂直封装的半导体激光器，通过一组慢轴准直镜对激光束慢轴进行压缩成线状，利用快轴发散角较大(30
°‑
60
°
)的特性，构建线状光斑输出，由于激光器是采用沿快轴方向重叠封装方式，需要进行多次焊接和光路调节，才能获得稳定的线状光斑，但是其结构和工艺十分复杂，体积庞大，成本高昂，不能满足激光消杀领域对小型化光源的需求。
7.常规的输出线状光斑的半导体激光模块，一般采用多个激光单管拼接或者复杂耦合光路实现线状光斑激光输出，这就导致模块的结构复杂、调装时间长、成本高昂等问题出现，上述问题严重影响线状光斑输出的半导体激光模块在激光消杀领域的应用前景。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明实施例中提供一种半导体激光模块、制备方法以及激光杀虫装置。
9.第一方面，本发明实施例中提供一种半导体激光模块，包括沿x方向依次排布的半导体激光线阵，用于发射所需波长的激光束；
10.快轴准直组件，用于对所述激光束进行快轴准直；
11.鲍威尔棱镜，用于对准直后的激光束进行整形，使得所述激光束的光斑由近高斯分布整形成近似均匀分布，并增大快轴方向发散角至预设角度及以上；
12.模块管壳，用于承载所述半导体激光线阵、所述鲍威尔棱镜和所述快速准直组件并将各组件产生的热量导出散热。
13.作为一种可选的方案，所述半导体激光线阵的p面或者n面焊接在所述模块管壳上表面，由所述半导体激光线阵发射的激光束进入到所述快轴准直组件。
14.作为一种可选的方案，所述半导体激光线阵沿z方向依次包括p面波导层、有源层、n面波导层，所述n面波导层与所述模块管壳固定连接。
15.作为一种可选的方案，所述半导体激光线阵为单横模半导体激光线阵。
16.作为一种可选的方案，所述半导体激光线阵的材料体系为氮化镓gan或砷化鎵gaas。
17.作为一种可选的方案，所述半导体激光线阵的激光波长为400nm至1100nm。
18.作为一种可选的方案，所述快轴准直组件为焦距低于0.5mm的快轴准直镜。
19.作为一种可选的方案，所述半导体激光线阵、所述鲍威尔棱镜和所述快速准直组件焊接在所述模块管壳。
20.第二方面，本发明实施例中提供一种激光杀虫装置，具有如上述的半导体激光模块。
21.第三方面，本发明实施例中提供一种半导体激光模块的制备方法，用于制备上述的半导体激光模块。
22.本发明实施例中提供一种半导体激光模块、制备方法以及激光杀虫装置，采用基于鲍威尔棱镜的光能匀化扩展技术，解决了现有输出线状光斑的半导体激光模块的结构复杂、调装时间长、成本高昂等问题，采用一组快轴准直组件和一组鲍威尔棱镜，将快轴方向呈高斯分布的激光束准直后匀化扩展，获得快轴方向能量分布均匀性高于80％的线状光斑，同时采用填充因子不低于30％的单横模半导体激光阵列，提高慢轴方向的光束质量，增加单元数量，降低单元间距，使得各单元的光斑再空间上均匀叠加，提高慢轴方向的光能量分布均匀性，从而实现光能量分布均匀的带状光斑激光输出，调装时间和成本将显著降低，可靠性和成品率将明显改善，更有利于带状光斑输出激光模块的应用推广。
附图说明
23.图1为本发明实施例中提供一种半导体激光模块的示意图；
24.图2为本发明实施例中提供一种半导体激光模块的侧视图；
25.图3为本发明实施例中提供一种半导体激光模块的俯视图；
26.图4为本发明实施例中提供一种半导体激光模块的带状光斑输出激光模块光束传
输俯视图；
27.图5为本发明实施例中提供一种半导体激光模块的光束传输侧视图；
28.图6为本发明实施例中提供一种半导体激光模块的光场叠加示意图。
具体实施方式
29.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
30.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
31.结合图1和图2所示，本发明实施例中提供一种半导体激光模块，包括沿x方向依次排布的半导体激光线阵101，用于发射所需波长的激光束；
32.快轴准直组件102，用于对所述激光束进行快轴准直；
33.鲍威尔棱镜103，用于对准直后的激光束进行整形，使得所述激光束的光斑由近高斯分布整形成近似均匀分布，并增大快轴方向发散角至预设角度及以上，预设角度可以60
°
；
34.模块管壳104，用于承载所述半导体激光线阵101、所述鲍威尔棱镜103和所述快速准直组件102并将各组件产生的热量导出散热，模块管壳可以采用铝制，便于散热。
35.本发明采用基于鲍威尔棱镜103的光能匀化扩展技术，解决了现有输出线状光斑的半导体激光模块的结构复杂、调装时间长、成本高昂等问题，采用一组快轴准直组件102和一组鲍威尔棱镜103，将快轴方向呈高斯分布的激光束准直后匀化扩展，获得快轴方向能量分布均匀性高于80％的线状光斑，同时采用填充因子不低于30％的单横模半导体激光阵列，提高慢轴方向的光束质量，增加单元数量，降低单元间距，使得各单元的光斑再空间上均匀叠加，提高慢轴方向的光能量分布均匀性，从而实现光能量分布均匀的带状光斑激光输出。相比于现有的五组透镜激光模块，两组棱镜的调装时间和成本将显著降低，可靠性和成品率将明显改善，更有利于带状光斑输出激光模块的应用推广。
36.结合图3所示，所述半导体激光线阵101的p面或者n面焊接在所述模块管壳104上表面，由所述半导体激光线阵101发射的激光束进入到所述快轴准直组件102，所述半导体激光线阵101沿z方向依次包括p面波导层201、有源层202、n面波导层203，所述n面波导层203与所述模块管壳104固定连接。
37.在一些实施例中，所述半导体激光线阵101为单横模半导体激光线阵，具有高填充因子，具体地，沿x方向自前端到后端依次为高填充因子的单横模半导体激光线阵、快轴准
直镜、鲍威尔棱镜103构成，三种元件都安装在同一模块管壳104上，形成带状光斑输出的半导体激光模块，为激光消杀领域提供了一种结构简单的新型激光模块技术方案。
38.在一些实施例中，所述半导体激光线阵101的材料体系为氮化镓gan或砷化鎵gaas，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。
39.在一些实施例中，所述半导体激光线阵101的激光波长为400nm至1100nm，但不限于上述材料和激光波长，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。
40.如图4所示，在一些实施例中，所述快轴准直组件102可以采用快轴准直镜，快轴准直镜作为半导体激光线阵101输出激光束的快轴准直元件，用于将半导体激光线阵各单元发射激光束进行快轴准直，使得激光束快轴发散角(z方向)由60
°
降低至1
°
～3
°
，所述快轴准直组件102为焦距低于0.5mm的快轴准直镜，可以减小快轴方向激光光斑尺寸，增加耦合到鲍威尔棱镜非球面圆棱区域的光能量，快轴准直组件102尺寸较小，z方向高度可以小至3mm-5mm。
41.结合图5所示，在一些实施例中，鲍威尔棱镜103作为激光束的整形元件，用于将线阵各激光单元发射激光束在快轴方向(z方向)上进行整形，将其光斑由近高斯分布整形成近似均匀分布，并增大快轴方向(z方向)发散角至60
°
以上，图中示出鲍威尔棱镜103整形后的光束303。
42.结合图6所示，在一些实施例中，在距离鲍威尔棱镜103的20cm处可以形成z方向长度为30cm的线状光斑，线阵各单元线状光斑空间叠加，形成30cm(z方向)的带状光斑，基于鲍威尔棱镜的带状光斑输出激光模块的光场叠加图，图中示出了半导体激光模块输出激光的叠加光场304。
43.在一些实施例中，所述半导体激光线阵101、所述鲍威尔棱镜103和所述快速准直组件102焊接在所述模块管壳104，需要说明的是，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。
44.本发明的目的是解决输出线状光斑的半导体激光模块的结构复杂、调装时间长、成本高昂的问题。通过采用基于鲍威尔棱镜的带状光斑输出激光模块，利用快轴准直镜和鲍威尔棱镜将高填充因子的单横模激光线阵发射的激光束在快轴方向(z方向)进行整形，提高激光束在快轴方向(z方向)和慢轴方向(y方向)的能量均匀性，实现能量分布均匀的带状激光输出，为激光消杀领域提供一种结构简单、成本低廉的半导体激光模块技术。
45.相应地，本发明实施例中提供一种激光杀虫装置，具有如上述的半导体激光模块。
46.本发明采用基于鲍威尔棱镜的光能匀化扩展技术，解决了现有输出线状光斑的半导体激光模块的结构复杂、调装时间长、成本高昂等问题，采用一组快轴准直镜和一组鲍威尔棱镜，将快轴方向呈高斯分布的激光束准直后匀化扩展，获得快轴方向(z方向)能量分布均匀性高于80％的线状光斑，同时采用填充因子不低于30％的单横模半导体激光，提高慢轴方向(y方向)的光束质量，增加单元数量，降低单元间距，使得各单元的光斑再空间上均匀叠加，提高慢轴方向(y方向)的光能量分布均匀性，从而实现光能量分布均匀的带状光斑激光输出，提高了带状光斑输出的半导体激光模块在激光消杀领域的应用前景。
47.相应地，本发明实施例中提供一种半导体激光模块的制备方法，用于制备上述的半导体激光模块。
48.通过上述制备方法制备的半导体激光模块，基于鲍威尔棱镜的带状光斑输出激光
模块，该模块包括：沿x方向自前端到后端依次为高填充因子的单横模半导体激光线阵、快轴准直镜、鲍威尔棱镜构成，三种元件都安装在同一管壳上，形成带状光斑输出的半导体激光模块，提高模块的整体稳定性和可靠性。
49.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
50.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。