CN104953466A - 一种激光光源和激光光源的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光光源和激光光源的设计方法，该激光光源包括：多个激光器、转换透镜、光栅和外腔镜；多个激光器输出多束不同波长范围的激光，每个波长范围内均包含一个指定波长；转换透镜分别对多束激光进行准直，并将准直后的多束激光会聚在光栅上；光栅分别对多束激光进行衍射，使得每束激光对应的指定波长激光以相同的衍射角出射到所述外腔镜上；外腔镜为部分反射部分透射镜，用于分别对多束指定波长激光进行反射，使得每束指定波长激光沿原光路返回对应激光器中；以及用于输出多束指定波长激光。本发明提供的技术方案所构成的激光器外腔具有一定的波长选择性，锁定了指定波长，压窄了光谱宽度，提高了激光光源的稳定性，符合应用需求。

Description

一种激光光源和激光光源的设计方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光光源和激光光源的设计方法。

背景技术

现有技术中，能够输出多束指定波长激光的激光光源非常少见，仅见的三基色激光光源也存在很多问题，目前的三基色激光光源的实现方案大多是：通过半导体激光器泵浦固体激光器产生初始激光，再通过倍频晶体对初始激光进行倍频得到三基色。该方案需要利用半导体激光器、固体激光器和倍频晶体，结构比较复杂，配置不够合理，而且由于作为泵浦源的半导体激光器往往受温度等环境因素影响较大，导致半导体激光器输出波长不稳定，进而导致泵浦固体激光器的过程也十分不稳定，即现有技术中的三基色激光光源的可靠性不高，不符合应用需求。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种激光光源和激光光源的设计方法，以解决上述问题或者至少部分地解决上述问题。

依据本发明的一个方面，提供了一种激光光源，该激光光源包括：多个激光器、转换透镜、光栅和外腔镜；

所述多个激光器输出多束不同波长范围的激光，每个波长范围内均包含一个指定波长；

所述转换透镜分别对多束激光进行准直，并将准直后的多束激光会聚在所述光栅上；

所述光栅分别对多束激光进行衍射，使得每束激光对应的指定波长激光以相同的衍射角出射到所述外腔镜上；

所述外腔镜为部分反射部分透射镜，用于分别对多束指定波长激光进行反射，使得每束指定波长激光沿原光路返回对应激光器中；以及用于输出多束指定波长激光。

可选地，所述多个激光器的出光端面均位于所述转换透镜的前焦面上；

所述转换透镜与所述光栅在光轴上的距离等于所述转换透镜的焦距；

对于每束激光，该束激光以入射角i入射到所述光栅上，该束激光对应的指定波长激光为波长为λ的激光，该指定波长激光以衍射角θ从所述光栅出射，所述光栅的光栅周期为d，则：d×(sin i-sinθ)＝m×λ，其中m为整数；

所述外腔镜的镜面与所述光栅的光栅平面的夹角等于θ。

可选地，所述多个激光器为半导体激光器。

可选地，所述多个激光器的出光端面上镀有增透膜。

可选地，每束激光对应的指定波长激光包括：每束激光对应的波长范围内，衍射效率最高的波长的激光。

可选地，所述光栅为透射型光栅或反射型光栅。

可选地，所述激光光源为三基色激光光源；

所述多个激光器包括：红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器；

所述红光激光器输出波长范围为610nm-720nm的红光激光，所述绿光激光器输出波长范围为490nm-540nm的绿光激光，所述蓝光激光器输出波长范围为380nm-465nm的蓝光激光。

可选地，所述红光激光对应的指定波长激光为610nm激光，所述绿光激光对应的指定波长激光为515nm激光，所述蓝光激光对应的指定波长激光为420nm激光；

红光激光以入射角i1入射到所述光栅上，610nm激光以衍射角θ从所述光栅出射，则：d×(sin i1-sinθ)＝610；

绿光激光以入射角i2入射到所述光栅上，515nm激光以衍射角θ从所述光栅出射，则：d×(sin i2-sinθ)＝515；

蓝光激光以入射角i1入射到所述光栅上，420nm激光以衍射角θ从所述光栅出射，则：d×(sin i3-sinθ)＝420。

依据本发明的另一个方面，提供了一种激光光源的设计方法，该方法包括：

利用多个激光器输出多束不同波长范围的激光，在每个波长范围内选择一个指定波长；

利用转换透镜分别对多束激光进行准直，并将准直后的多束激光会聚在光栅上；

利用光栅分别对多束激光进行衍射，使得每束激光对应的指定波长激光以相同的衍射角出射到外腔镜上；

利用外腔镜分别对多束指定波长激光进行反射，使得每束指定波长激光沿原光路返回对应激光器中；以及利用外腔镜输出多束指定波长激光。

可选地，所述激光光源为三基色激光光源；

则所述利用多个激光器输出多束不同波长范围的激光包括：

利用红光激光器输出波长范围为610nm-720nm的红光激光；利用绿光激光器输出波长范围为490nm-540nm的绿光激光；利用蓝光激光器输出波长范围为380nm-465nm的蓝光激光。

由上述可知，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：所构成的激光器外腔具有一定的波长选择性，锁定了激光器输出的波长范围中的指定波长，压窄了光谱宽度，使得激光光源能够输出较鲜艳的颜色，提高了激光光源的稳定性，使其在更宽的温度波动范围内仍然能够输出恒定的波长；并且激光光源将多个激光器输出的多束指定波长激光合在一起，便于不同指定波长激光之间的组合和显示，符合应用需求。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施例的一种激光光源的光路图；

图2示出了根据本发明另一个实施例的一种激光光源的光路图；

图3示出了根据本发明一个实施例的光栅的光路图；

图4A示出了根据本发明一个实施例的红光激光的衍射效率随波长变化的示意图；

图4B示出了根据本发明一个实施例的绿光激光的衍射效率随波长变化的示意图；

图4C示出了根据本发明一个实施例的蓝光激光的衍射效率随波长变化的示意图；

图5示出了根据本发明一个实施例的一种激光光源的设计方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1示出了根据本发明一个实施例的一种激光光源的光路图。如图1所示，该激光光源包括：三个激光器1、转换透镜2、光栅3和外腔镜4；三个激光器1的出光端面均位于转换透镜2的前焦面上；转换透镜2与光栅3在光轴上的距离等于转换透镜2的焦距。

三个激光器1输出三束不同波长范围的激光，每束激光的波长范围内均包含一个指定波长；转换透镜2分别对三束激光进行准直，并将准直后的三束激光会聚在光栅3上；光栅3分别对三束激光进行衍射，使得每束激光对应的指定波长激光以相同的衍射角出射到外腔镜4上，对于每束激光，该束激光以入射角i入射到光栅3上，该束激光对应的指定波长激光为波长为λ的激光，该指定波长激光以衍射角θ从光栅3出射，光栅3的光栅周期为d，则满足衍射方程：d×(sin i-sinθ)＝m×λ，m为整数；外腔镜4的镜面与光栅3的光栅平面的夹角等于θ，外腔镜4为部分反射部分透射镜，分别对三束指定波长激光进行反射，使得每束指定波长激光沿原光路返回对应激光器中；以及用于输出三束指定波长激光。

在图1所示的激光光源中，在激光器光路上放置转换透镜2、光栅3和外腔镜4，每个激光器输出的具有一定发散角的激光光束经过转换透镜2后被转换为近似平行的激光光束；三个激光器1的分布位置决定了三束不同波长范围的激光以不同的入射角会聚到光栅3上；根据光的衍射原理：在入射角相同的情况下，不同波长的光的衍射角不同，则通过对入射角的调整，使得三束不同波长范围的激光经光栅3的衍射作用后，对应的三束指定波长激光以相同的衍射角出射到外腔镜4上；一方面，每束指定波长激光被外腔镜4反射回光栅3，再沿原光路返回对应激光器中，这样，一个激光器的出光端面、转换透镜2、光栅3和外腔镜4就构成了一个外腔，三个激光器1分别构成三个外腔，指定波长激光才能照射在外腔镜4上并返回激光器产生外腔振荡，另一方面，三束指定波长激光经过外腔镜4透射输出，作为本发明中的激光光源的输出激光。

可见，图1所示的激光光源具有如下有益效果：所构成的激光器外腔具有一定的波长选择性，锁定了激光器输出的波长范围中的指定波长，压窄了光谱宽度，使得激光光源能够输出较鲜艳的颜色，提高了激光光源的稳定性，使其在更宽的温度波动范围内仍然能够输出恒定的波长；并且激光光源将多个激光器输出的多束指定波长激光合在一起，便于不同指定波长激光之间的组合和显示，符合应用需求。

在本发明的一个实施例中，三个激光器1的出光端面上镀有增透膜，以减少激光器内腔的作用，利于通过本发明构成的外腔进行波长锁定。

在本发明的一个实施例中，光栅3可以是透射型光栅也可以是反射型光栅。

在本发明的一个实施例中，本发明所提供的激光光源具体为三基色激光光源，三基色激光光源能够输出指定波长的红光、绿光和蓝光，通过三基色的组合，能够对各种颜色进行显示，在很多领域都有广泛的应用。图2示出了根据本发明另一个实施例的一种激光光源的光路图，如图2所示，该激光光源包括：三个激光器1、转换透镜2、光栅3和外腔镜4。其中，三个激光器1从上至下依次包括：红光半导体激光器、绿光半导体激光器和蓝光半导体激光器；红光半导体激光器输出波长范围为610nm-720nm的红光激光，绿光半导体激光器输出波长范围为490nm-540nm的绿光激光，蓝光半导体激光器输出波长范围为380nm-465nm的蓝光激光。

在本实施例中，蓝光半导体激光器与绿光半导体激光器的距离dblue＝13.3428mm，红光半导体激光器与绿光半导体激光器的距离dred＝21.6390mm。转换透镜2为焦距flens＝100mm的柱透镜；转换透镜2的光轴与绿光半导体激光器的光轴重合；三个激光器1的出光端面位于转换透镜2的前焦面上，转换透镜2与光栅3在光轴上的距离等于转换透镜2的焦距。则：经转换透镜2准直后的红光激光与光轴的夹角θred＝atan(21.6390mm/100mm)＝12.21°，经转换透镜2准直后的蓝光激光与光轴的与光轴的夹角θblue＝atan(13.3428mm/100mm)＝7.6°。

在本实施例中，光栅3为闪耀光栅，刻线密度为600线/mm，光栅周期为d＝1mm/600，光栅刻槽台阶角度θtilt＝15°。光栅3的法线与转换透镜2的光轴间的角度为θgrid＝68.35°，外腔镜4的光轴与转换透镜2的光轴间的角度为θout＝106.7°。

红光激光、绿光激光和蓝光激光以不同的入射角会聚到光栅3上，经光栅3的衍射作用后，对应的三束指定波长激光以相同的衍射角出射到外腔镜4上。图3示出了根据本发明一个实施例的光栅的光路图，示出了光栅3的衍射过程。如图3所示。三束指定波长激光的出射方向与光栅3宏观平面法线间的角度为θbigout＝θout-θgrid＝106.7°-68.35°＝38.35°，即本实施例中三束指定波长激光均以衍射角θ＝38.35°从光栅3出射。

红光激光入射方向与光栅3宏观平面法线间的角度为θgrid+θred＝68.35°+12.21°＝80.56°，即红光激光以入射角i1＝80.56°入射到光栅3上，则根据衍射方程，d×(sin i1-sinθ)＝1mm/60×(sin 80.56°-sin 38.35°)＝610nm，表示红光激光经过光栅3后两个相邻刻线间的光程差为610nm，即红光激光对应的指定波长激光为610nm激光，与红光半导体激光器的中心波长610nm相同。

绿光激光入射方向与光栅3宏观平面法线间的角度为θgrid＝68.35°，即绿光激光以入射角i2＝68.35°入射到光栅3上，则根据衍射方程，d×(sin i2-sinθ)＝1mm/60×(sin 68.35°-sin 38.35°)＝515nm，表示绿光激光经过光栅3后两个相邻刻线间的光程差为515nm，即绿光激光对应的指定波长激光为515nm激光，与绿光半导体激光器的中心波长515nm相同。

蓝光激光入射方向与光栅3宏观平面法线间的角度为θgrid–θblue＝68.35°-7.6°＝60.75°，即蓝光激光以入射角i3＝60.75°入射到光栅3上，则根据衍射方程，d×(sin i3-sinθ)＝1mm/60×(sin 60.75°-sin 38.35°)＝420nm，表示蓝光激光经过光栅3后两个相邻刻线间的光程差为420nm，即蓝光激光对应的指定波长激光为420nm激光，与蓝光半导体激光器的中心波长420nm相同。

可见，图2-图3所示的激光光源及激光光源内部的光学元件的设置方式能够使得三个不同波长的半导体激光器在相同的出射方向上有较高的衍射效率。

图4A示出了根据本发明一个实施例的红光激光的衍射效率随波长变化的示意图，图4B示出了根据本发明一个实施例的绿光激光的衍射效率随波长变化的示意图，图4C示出了根据本发明一个实施例的蓝光激光的衍射效率随波长变化的示意图。由图4A-4C可见，光栅3对三种指定波长具有较高的衍射效率，具有高衍射效率的光谱峰很窄，因此光栅对于波长具有较强的选择性，能够将半导体激光器的波长锁定的较小的范围内。

图5示出了根据本发明一个实施例的一种激光光源的设计方法的流程图。如图5所示，该方法包括：

步骤S510，利用多个激光器输出多束不同波长范围的激光，在每个波长范围内选择一个指定波长。

步骤S520，利用转换透镜分别对多束激光进行准直，并将准直后的多束激光会聚在光栅上。

步骤S530，利用光栅分别对多束激光进行衍射，使得每束激光对应的指定波长激光以相同的衍射角出射到外腔镜上。

步骤S540，利用外腔镜分别对多束指定波长激光进行反射，使得每束指定波长激光沿原光路返回对应激光器中；以及利用外腔镜输出多束指定波长激光。

可见，图5所示的激光光源设计方法具有如下有益效果：所构成的激光器外腔具有一定的波长选择性，锁定了激光器输出的波长范围中的指定波长，压窄了光谱宽度，使得激光光源能够输出较鲜艳的颜色，提高了激光光源的稳定性，使其在更宽的温度波动范围内仍然能够输出恒定的波长；并且激光光源将多个激光器输出的多束指定波长激光合在一起，便于不同指定波长激光之间的组合和显示，符合应用需求。

在本发明的一个实施例中，图5所示方法的步骤S510利用多个激光器输出多束不同波长范围的激光包括：将多个激光器的出光端面均设置于转换透镜的前焦面上。

步骤S520利用转换透镜分别对多束激光进行准直，并将准直后的多束激光会聚在光栅上包括：设置光栅，令光栅与转换透镜在光轴上的距离等于转换透镜的焦距。

步骤S530利用光栅分别对多束激光进行衍射，使得每束激光对应的指定波长激光以相同的衍射角出射到外腔镜上包括：通过设置多个激光器的分布位置和光栅的位置，令每束激光满足以下条件：令该束激光以入射角i入射到光栅上，令该束激光对应的指定波长激光以衍射角θ从光栅出射，且d×(sin i-sinθ)＝m×λ，其中，m为整数，λ为指定波长，d为光栅的光栅周期。

步骤S540利用外腔镜分别对多束指定波长激光进行反射，使得每束指定波长激光沿原光路返回对应激光器中；以及利用外腔镜输出多束指定波长激光包括：设置外腔镜，令外腔镜的镜面与光栅的光栅平面的夹角等于θ。

在本发明的一个实施例中，所设计的激光光源为三基色激光光源；则步骤S510利用多个激光器输出多束不同波长范围的激光包括：利用红光激光器输出波长范围为610nm-720nm的红光激光；利用绿光激光器输出波长范围为490nm-540nm的绿光激光；利用蓝光激光器输出波长范围为380nm-465nm的蓝光激光。

在本发明的一个实施例中，多个激光器为半导体激光器。

在本发明的一个实施例中，多个激光器的出光端面上镀有增透膜。

在本发明的一个实施例中，光栅为透射型光栅或反射型光栅。

综上所述，本发明提供的技术方案与现有技术中通过半导体激光泵浦固体激光器再倍频得到多束指定波长激光的方案相比，直接利用了能够输出包含指定波长激光的波长范围的多个激光器，结构简单，配置合理，所构成的激光器外腔具有一定的波长选择性，锁定了激光器输出的波长范围中的指定波长，压窄了光谱宽度，使得激光光源能够输出较鲜艳的颜色；在一些优选的实施例中，采用多个半导体激光器输出多束激光，由于半导体激光器可以直接通过调制电流来调制光强大小，无需添加额外的电光调制元件，利于进一步简化激光光源的结构，且本发明的波长锁定功能能够克服半导体激光器易受温度等环境因素影响的问题，在更宽的温度波动范围内仍然能够输出恒定的波长，具有较高的稳定性。基于上述特征，本发明提供的激光光源将多个激光器输出的多束指定波长激光合在一起，不同光强度的指定波长激光之间的组合，能够实现多种颜色、亮度的显示效果，符合应用需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光光源，其特征在于，该激光光源包括：多个激光器、转换透镜、光栅和外腔镜；

所述多个激光器输出多束不同波长范围的激光，每个波长范围内均包含一个指定波长；

所述转换透镜分别对多束激光进行准直，并将准直后的多束激光会聚在所述光栅上；

所述光栅分别对多束激光进行衍射，使得每束激光对应的指定波长激光以相同的衍射角出射到所述外腔镜上；

所述外腔镜为部分反射部分透射镜，用于分别对多束指定波长激光进行反射，使得每束指定波长激光沿原光路返回对应激光器中；以及用于输出多束指定波长激光。

2.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，

所述多个激光器的出光端面均位于所述转换透镜的前焦面上；

所述转换透镜与所述光栅在光轴上的距离等于所述转换透镜的焦距；

对于每束激光，该束激光以入射角i入射到所述光栅上，该束激光对应的指定波长激光为波长为λ的激光，该指定波长激光以衍射角θ从所述光栅出射，所述光栅的光栅周期为d，则：d×(sin i-sin θ)＝m×λ，其中m为整数；

所述外腔镜的镜面与所述光栅的光栅平面的夹角等于θ。

3.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述多个激光器为半导体激光器。

4.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述多个激光器的出光端面上镀有增透膜。

5.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，每束激光对应的指定波长激光包括：每束激光对应的波长范围内，衍射效率最高的波长的激光。

6.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述光栅为透射型光栅或反射型光栅。

7.如权利要求2所述的激光光源，其特征在于，所述激光光源为三基色激光光源；

所述多个激光器包括：红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器；

所述红光激光器输出波长范围为610nm-720nm的红光激光，所述绿光激光器输出波长范围为490nm-540nm的绿光激光，所述蓝光激光器输出波长范围为380nm-465nm的蓝光激光。

8.如权利要求7所述的激光光源，其特征在于，

所述红光激光对应的指定波长激光为610nm激光，所述绿光激光对应的指定波长激光为515nm激光，所述蓝光激光对应的指定波长激光为420nm激光；

红光激光以入射角i1入射到所述光栅上，610nm激光以衍射角θ从所述光栅出射，则：d×(sin i1-sin θ)＝610；

绿光激光以入射角i2入射到所述光栅上，515nm激光以衍射角θ从所述光栅出射，则：d×(sin i2-sin θ)＝515；

蓝光激光以入射角i1入射到所述光栅上，420nm激光以衍射角θ从所述光栅出射，则：d×(sin i3-sin θ)＝420。

9.一种激光光源的设计方法，其特征在于，该方法包括：

利用多个激光器输出多束不同波长范围的激光，在每个波长范围内选择一个指定波长；

利用转换透镜分别对多束激光进行准直，并将准直后的多束激光会聚在光栅上；

利用光栅分别对多束激光进行衍射，使得每束激光对应的指定波长激光以相同的衍射角出射到外腔镜上；

利用外腔镜分别对多束指定波长激光进行反射，使得每束指定波长激光沿原光路返回对应激光器中；以及利用外腔镜输出多束指定波长激光。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述激光光源为三基色激光光源；

则所述利用多个激光器输出多束不同波长范围的激光包括：

利用红光激光器输出波长范围为610nm-720nm的红光激光；利用绿光激光器输出波长范围为490nm-540nm的绿光激光；利用蓝光激光器输出波长范围为380nm-465nm的蓝光激光。