【关键词】蓝光半导体激光器；封装外壳；设计分析

引言

随着光电子技术的飞速发展，蓝光半导体激光器逐渐在各类科研和工业领域应用。相较于红光和近红外激光器，蓝光激光器有更短的波长，能实现更小的聚焦光斑。随着海洋开发与智能海洋装备的发展，激光技术逐步向深海方向延伸，但传统用于陆地环境的封装方案难以直接移植至海洋场景，因此对封装技术提出了更严苛的要求。

一、海下封装外壳的功能要求

蓝光半导体激光器正不断拓展海下环境的应用领域，目前海底通信、潜航器测距、激光雷达、海底光谱探测都开始使用蓝光半导体激光器，而这些任务一般都需要把设备长期部署于数百米甚至千米级的海域深处，工作环境远比陆地苛刻。封装外壳作为激光器与外部环境之间的机械边界，是保障器件极端条件下稳定、长期运行的核心关键。主要的外壳功能要求如下。

（一）高压承载能力

随着深度增加，外部每增加10米水深，水压约增加0.1 MPa。千米级深度所承受的压力达10 MPa以上，相当于100个大气压。封装外壳须具备足够的结构强度与刚性，才能在此类高静水压力下不发生变形和破裂，从而避免内部激光芯片、光学元件或电子系统被挤压损坏。这要求材料本身具备高屈服强度，封装结构具备合理的应力分布设计，避免出现应力集中区域[1]。

（二）气密性与水密性

半导体激光芯片极易受湿度变化影响，一旦密封未达标让水汽或盐雾渗入封装腔体，很容易腐蚀电极、电路板等导电元件，污染光学镜片，让镜片光斑畸变、功率衰减，严重影响器件寿命和性能。因此，封装设计必须达到高等级气密封闭（一般要求泄漏率小于10-6 Pa·m3/s）要求，使用焊接封装、金属玻璃钎焊、陶瓷-金属封接等方式替代传统橡胶密封圈，从根源上防止渗漏。

（三）防腐蚀能力

海水中溶解有大量氯、镁、钠、硫酸根离子等腐蚀性物质，若材料选择不当或结构设计存在微缝、间隙、水渗透层，封装表面短时间内就会腐蚀穿孔，失去密封和机械防护功能。所以封装外壳必须选用高耐蚀性金属（如钛合金、哈氏合金、Inconel合金）或陶瓷涂层材料，并使用阳极保护、电位控制或牺牲阳极等方式延缓腐蚀过程。

二、蓝光半导体激光器封装外壳设计难点

（一）极端水压下结构强度要求高

深海环境中蓝光半导体激光器封装外壳将承受极端的静水压力。以1 000米海深为例，外部水压约为10 MPa，是大气压的近百倍。如果封装结构设计不合理或材料强度不足，外壳很快就会产生严重弹性形变、塑性塌陷，甚至使用初期即结构失效，破坏内部敏感芯片和光学系统。

从工程力学角度看，外壳结构受压后的变形情况与材料的屈服极限、几何结构、壁厚分布以及载荷传递路径相关。深海封装设计一般会避免使用薄壁、方形、尖角类结构，因为这类结构在内外压差作用下极易成为应力集中区，使结构屈服或失稳破坏。因此常见的深海耐压封装形态主要为厚壁圆柱壳、球形壳、圆顶结构等。

封装外壳设计时一般依据经典薄壳理论或有限元仿真结果计算最大应力、屈服安全系数以及残余形变量，确定合适的壁厚。实际会引入1.5～2.0倍的安全系数抵御材料老化、制造误差或突发冲击[2]。

（二）光学对准精度高

不同于普通光源，半导体激光器发出的光束方向性和发散性较强，必须使用准直、聚焦或耦合等方法精准调控。蓝光半导体激光器波长更短，光束质量更高，光斑尺寸更小，就更需要严格控制准直角度、出光方向和焦点位置。一旦封装时对准偏差过大，超出了允许范围，就很容易严重影响激光输出效率、光束质量及耦合成功率。

首先，从激光器的物理发射特性看，激光器出射光具有高发散角的特点，一般在几十度范围，远高于一般光纤耦合或自由空间传输所能接受的角度。