專利名稱：一種緊湊型固體激光非線性頻率變換芯片封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及一種非線性光學(xué)晶體頻率變換芯片封裝結(jié)構(gòu)，適用于便攜式激光投影顯示，以及采用固體激光非線性頻率變換光源的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，激光微型投影顯示產(chǎn)業(yè)迫切需要較高功率的紅，綠，藍(lán)三基色激光器(每種顏色需要的功率從150mW到1W)。雖然630nm紅光可以由鎵砷磷(GaAsP)半導(dǎo)體激光器直接產(chǎn)生，藍(lán)光可以由銦鎵氮(InGaN)半導(dǎo)體激光器直接產(chǎn)生，但是由半導(dǎo)體材料，例如，銦鎵氮材料直接產(chǎn)生綠光(約530nm)激光離商用化還有很大距離，即目前半導(dǎo)體綠光激光器存在功率低、效率低、壽命短以及價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。因此高效率、高功率、高可靠、低成本綠光激光器成為了激光投影顯示產(chǎn)業(yè)的瓶頸。 通過二極管泵浦固體激光器倍頻產(chǎn)生的緊湊型綠光激光器是目前綠光激光器的最佳途徑。將摻釹的釩酸釔晶體(Nd:YV04，以下簡稱Nd = YVO4)和摻5%氧化鎂的周期極化鈮酸鋰晶體(MgO:PPLN，以下簡稱MgO = PPLN)通過膠合，光膠，以及分立封裝等三種技術(shù)制作的緊湊型綠光激光芯片可以覆蓋從幾百毫瓦到瓦級的綠光輸出。眾所周知，由于MgO:PPLN是通過準(zhǔn)相位匹配(QPM)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)1064nm到532nm的倍頻輸出，因此輸入到MgO: PPLN晶體的基頻光(1064nm)和產(chǎn)生的倍頻光(532nm)的偏振態(tài)需要與晶體的光軸(即z軸)平行一致。同時(shí)產(chǎn)生基頻光的激光器晶體Nd:YVOJ^ π偏振方向(平行于晶體的光軸ζ)對泵浦光的吸收系數(shù)比σ偏振方向(垂直于晶體的光軸ζ)要大四倍，并且Nd:YVOJ^ π偏振方向(平行于晶體的光軸ζ)的激光增益比σ偏振方向(垂直于晶體的光軸ζ)的要大七倍，因此在受激發(fā)射過程中基頻光是η偏振方向(平行于晶體的光軸ζ)。在制作膠合，光膠，以及分立封裝等三種綠光芯片的過程中，Nd = YVO4的光軸和MgO: PPLN的光軸必須是一致的。同時(shí)808nm泵浦激光二極管的偏振方向也要與Nd = YVO4的光軸和MgO = PPLN的光軸是保持一致，以保證808nm泵浦激光二極管的功率盡量大地被Nd = YVO4晶體吸收。然而，一方面，目前廣泛應(yīng)用的準(zhǔn)相位匹配晶體，例如MgO: PPLN,由于采用的是芯圓晶生產(chǎn)工藝，因此提供的圓晶厚度決定了生產(chǎn)的MgO = PPLN晶體的厚度(即光軸方向的長度)一般為O. 5mm，生產(chǎn)出的MgO = PPLN芯片的橫截面一般為l_3mm寬和O. 5mm高O。這樣如果將Nd = YVO4和MgOiPPLN通過膠合,光膠或分立型的芯片平放在金屬導(dǎo)熱平面上時(shí)，他們的光軸方向都為垂直于該平面，因此需要垂直偏振(TM)的808nm半導(dǎo)體光激光器泵浦才能實(shí)現(xiàn)最大綠光輸出。另一方面，目前生產(chǎn)的808nm招鎵砷大功率半導(dǎo)體激光器一般工作于橫向偏振(TE)模式，即產(chǎn)生的激光偏振方向是平行于量子阱以及pn結(jié)方向。同時(shí)半導(dǎo)體激光器管芯是以平行于量子阱以及pn結(jié)的方向焊接在金屬熱沉上，而將金屬熱沉安裝在金屬導(dǎo)熱平面上時(shí)這就導(dǎo)致該激光器的偏振方向也是平行于該金屬封裝平面。因此對于傳統(tǒng)的綠光激光芯片封裝方法，即把808nm泵浦半導(dǎo)體激光器和Nd: YV04/Mg0: PPLN膠合，光膠，以及分立型芯片同時(shí)安裝在同一個金屬導(dǎo)熱平面上時(shí)，就會產(chǎn)生偏振不兼容性問題。發(fā)明內(nèi)容為了克服808nm泵浦光的偏振方向和基于Nd:YV04/Mg0:PPLN的膠合，光膠，以及分立型綠光芯片之間的偏振方向不兼容性問題，本專利提供一種非線性光學(xué)晶體封裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)及其變化結(jié)構(gòu)可以方便的解決泵浦光和綠光芯片的偏振方向不兼容性。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種緊湊型固體激光非線性頻率變換芯片封裝結(jié)構(gòu)，其特征是，該芯片封裝在圓形金屬導(dǎo)熱夾具或方形金屬導(dǎo)熱夾具內(nèi)，同時(shí)該芯片的光軸平行于用于安裝該芯片的金屬導(dǎo)熱平面。進(jìn)一步地，該非線性頻率變換芯片可以是將固體激光晶體和非線性頻率變換晶體 通過膠合，光膠，以及分立封裝的芯片。進(jìn)一步地，該非線性頻率變換芯片沿其光軸層疊在一起形成層疊結(jié)構(gòu)；并將該層疊結(jié)構(gòu)封裝在方形金屬導(dǎo)熱夾具中。進(jìn)一步地，該非線性頻率變換芯片層疊結(jié)構(gòu)的光軸平行于所述的金屬導(dǎo)熱平面。進(jìn)一步地，該非線性頻率變換芯片層疊結(jié)構(gòu)的每一個芯片的中心與泵浦用的半導(dǎo)體激光器條上每個發(fā)光單元中心對準(zhǔn)。本專利解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是通過將非線性光學(xué)晶體轉(zhuǎn)動90度，使其是準(zhǔn)相位匹配晶體的光軸和泵浦半導(dǎo)體激光器的偏振方向一致，所以能夠獲得最大的綠光輸出。本專利的有益效果是，采用該封裝結(jié)構(gòu)，用于泵浦的半導(dǎo)體激光器和非線性頻率變換芯片可以方便的安裝而不必考慮偏振兼容性問題。
以下結(jié)合附圖
和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖I給出了本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2給出了本發(fā)明第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3給出了本發(fā)明第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4給出了本發(fā)明第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
圖I給出了本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖(前視圖)，其中I非線性頻率變換芯片，由于泵浦半導(dǎo)體激光器的偏振是橫向偏振(TE)，因此通常安裝在金屬導(dǎo)熱平面上的半導(dǎo)體激光器其偏振方向也是水平方向。為了與泵浦半導(dǎo)體激光器的偏振(TE)兼容，首先將非線性頻率變換芯片I封裝于一方形金屬夾具2之中，然后將方形金屬夾具2轉(zhuǎn)動90度，使非線性頻率變換芯片I的光軸與水平方向一致。非線性頻率變換芯片I和方形金屬夾具2之間含有導(dǎo)熱物質(zhì)3。導(dǎo)熱物質(zhì)3包括但并不局限于，導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂，導(dǎo)熱膠水，以及金屬焊料。在一個具體的實(shí)施例中，非線性頻率變換芯片I是摻5%氧化鎂的周期極化鈮酸鋰晶體(MgO = PPLN)，該晶體的幾何尺寸為Imm(長)*2mm(寬)*0· 5mm(高)。MgOiPPLN封裝在金屬夾具2內(nèi)，該金屬夾具的材料為，但并不局限于紫銅，黃銅，以及鋁。在另一個具體實(shí)施例中，非線性頻率變換芯片I是Nd: YV04/Mg0:PPLN膠合芯片。該芯片的幾何尺寸為2mm (長)*2mm(寬)*0. 5mm (高)。在另一個具體的實(shí)施例中，非線性頻率變換芯片I是Nd:YV04/Mg0:PPLN光膠芯片。該芯片的幾何尺寸為2mm(長)*2mm(寬)*0. 5mm(高)。在另一個具體的實(shí)施例中，非線性頻率變換芯片I是Nd:YV04/Mg0:PPLN分立型芯片。該芯片的幾何尺寸為3至7mm(長)*2mm(寬)*0· 5mm(高)。當(dāng)然，上述膠合，光膠，以及分立型綠光芯片封裝方式中，Nd = YVO4和MgO = PPLN晶體的光軸ζ保持一致。圖2給出了本發(fā)明第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖(前視圖)，其中4為非線性頻率變換芯片疊層。非線性頻率變換芯片疊層4是通過將幾個非線性頻率變換芯片I按沿光軸的方向?qū)盈B在一起。非線性頻率變換芯片疊層4中的非線性頻率變換芯片I之間可通過導(dǎo)熱物質(zhì)3粘接在一起。非線性頻率變換芯片疊層4和方形金屬夾具2之間也使用導(dǎo)熱物質(zhì)3粘接在一起。導(dǎo)熱物質(zhì)3包括但并不局限于，導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂，導(dǎo)熱膠水，以及金屬焊料。非線性頻率變換芯片疊層4封裝在方形金屬夾具2中，并且使得非線性頻率變換芯片疊層4的光軸與水平方向一致。該非線性頻率變換芯片疊層4適用于泵浦半導(dǎo)體激光器陣列條泵浦，即該非線性頻率變換芯片疊層4中的每一個非線性頻率變換芯片I的中心與泵浦半導(dǎo)體激光器陣列條上每個發(fā)光單元中心對準(zhǔn)。在一個具體的實(shí)施例中，非線性頻率變換芯片疊層4中的非線性頻率變換芯片I之間的中心間距為500Mm。與 之對應(yīng)的泵浦半導(dǎo)體激光器陣列條上每個發(fā)光單元中心間距也為500Mm。非線性頻率變換芯片疊層4可以由MgO:PPLN芯片，Nd:YV04/Mg0:PPLN膠合芯片，Nd:YV04/Mg0:PPLN光膠芯片，以及Nd:YV04/Mg0:PPLN分立型芯片層疊而構(gòu)成。使用Nd: YV04/Mg0:PPLN膠合和Nd: YV04/Mg0: PPLN光膠時(shí)，可先將Nd: YVO4和MgO: PPLN分別疊層，然后膠合或光膠。也可先將Nd = YVO4和MgO:PPLN膠合或光膠，然后再疊層。使用Nd: YV04/Mg0:PPLN分立型結(jié)構(gòu)時(shí)，可先將Nd: YVO4和MgO: PPLN分別疊層，然后進(jìn)行分立型封裝。圖3給出了本發(fā)明第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖(前視圖)，其中5為圓形金屬夾具。該結(jié)構(gòu)中，為了與泵浦半導(dǎo)體激光器的偏振(TE)兼容，首先將非線性頻率變換芯片I封裝于一圓形金屬夾具5之中，然后將圓形金屬夾具5轉(zhuǎn)動90度，使非線性頻率變換芯片I的光軸與水平方向一致。非線性頻率變換芯片I和圓形金屬夾具5之間通過導(dǎo)熱物質(zhì)3粘接在一起。非線性頻率變換芯片I的光軸與水平方向一致。導(dǎo)熱物質(zhì)3包括但并不局限于，導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂，導(dǎo)熱膠水，以及金屬焊料。非線性頻率變換芯片I為MgO:PPLN芯片，Nd: YV04/Mg0: PPLN 膠合芯片，Nd: YV04/Mg0: PPLN 光膠芯片，或者 Nd: YV04/Mg0: PPLN 分立型芯片。與方形金屬夾具相比，圓形金屬夾具具有加工簡單的特點(diǎn)。圖4給出了本發(fā)明第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖(前視圖)，其中5為圓形金屬夾具。非線性頻率變換芯片疊層4和圓形金屬夾具5之間使用導(dǎo)熱物質(zhì)3粘接在一起。非線性頻率變換芯片疊層4封裝在圓形金屬夾具5中，并且使得非線性頻率變換芯片疊層4的光軸與水平方向一致。非線性頻率變換芯片疊層4可以由MgO: PPLN芯片，Nd: YV04/Mg0: PPLN膠合芯片，Nd: YV04/Mg0: PPLN光膠芯片，以及Nd: YV04/Mg0: PPLN分立型芯片層疊而構(gòu)成。需要指出的是，以上以Nd:YV04/Mg0:PPLN非線性倍頻為例說明了本發(fā)明的基本思想。顯然，本發(fā)明可應(yīng)用于基于倍頻以外，例如差頻、和頻等非線性過程的激光光源。同時(shí)還需要指出的是，以上用于膠合，光膠和分立型芯片的激光晶體可為其他摻釹的釩酸鹽晶體，如摻釹釩酸釓(NchGdVO4)等，而準(zhǔn)相位匹配的非線性倍頻晶體可以為其他鐵電晶體，例如周期極化的鉭酸鋰(PPLT)，PPKTP等。
權(quán)利要求1.一種緊湊型固體激光非線性頻率變換芯片封裝結(jié)構(gòu)，其特征是，該芯片封裝在圓形金屬導(dǎo)熱夾具或方形金屬導(dǎo)熱夾具內(nèi)，同時(shí)該芯片的光軸平行于用于安裝該芯片的金屬導(dǎo)熱平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非線性頻率變換芯片封裝結(jié)構(gòu)，其特征是，該非線性頻率變換芯片可以是將固體激光晶體和非線性頻率變換晶體通過膠合，光膠，以及分立封裝的芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的非線性頻率變換芯片封裝結(jié)構(gòu)，其特征是，該非線性頻率變換芯片沿其光軸層疊在一起形成層疊結(jié)構(gòu)；并將該層疊結(jié)構(gòu)封裝在方形金屬導(dǎo)熱夾具中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非線性頻率變換芯片封裝結(jié)構(gòu)，其特征是，該非線性頻率變換芯片層疊結(jié)構(gòu)的光軸平行于所述的金屬導(dǎo)熱平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非線性頻率變換芯片封裝結(jié)構(gòu)，其特征是，該非線性頻率變換芯片層疊結(jié)構(gòu)的每一個芯片的中心與泵浦用的半導(dǎo)體激光器條上每個發(fā)光單元中心對準(zhǔn)。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種緊湊型固體激光非線性頻率變換芯片封裝結(jié)構(gòu)，該芯片封裝在圓形金屬導(dǎo)熱夾具或方形金屬導(dǎo)熱夾具內(nèi)，同時(shí)該芯片的光軸平行于用于安裝該芯片的金屬導(dǎo)熱平面。本實(shí)用新型的有益效果是，采用該封裝結(jié)構(gòu)，用于泵浦的半導(dǎo)體激光器和非線性頻率變換芯片可以方便的安裝而不必考慮偏振兼容性問題。
文檔編號G02F1/35GK202721332SQ20112046564
公開日2013年2月6日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者徐慶揚(yáng), 路洋, 蘇紅平, 李向陽 申請人:南京長青激光科技有限責(zé)任公司, C2C晶芯科技公司