CN105627253B - 一种超大功率近红外半导体激光照明器 - Google Patents

Abstract

本发明的超大功率近红外半导体激光照明器，包括主壳体和多个激光器模组，激光器模组由单bar条半导体激光器和激光器固定散热组件组成，单bar条半导体激光器用于产生激光束，单bar条半导体激光器的前端设置有会聚透镜，会聚透镜的前、后端设置有主反射镜、次反射镜，多条激光束经主反射镜反射后会聚于次反射镜的表面，并经次反射镜的反射后合束成具有良好匀化效果的激光束；整形镜组调节光束的出光角度，满足照明要求。本发明的半导体激光照明器，多个激光器发出的光束重叠，形成了具有较好匀化效果的重叠激光，解决了上千瓦半导体激光器脉冲出光时带来的多个照明器尺寸大、成本高、对准重叠困难的问题，有益效果显著，适于应用推广。

Description

一种超大功率近红外半导体激光照明器

技术领域

本发明涉及一种半导体激光照明器，更具体的说，尤其涉及激光照明领域的超大功率近红外半导体激光照明器。

背景技术

目前传统的激光夜视系统，通常为连续照明成像系统，受大气后向散射的影响，作用距离一般不超过3000米。后向散射即使在空气质量较好的条件下也会存在，一是因为空气中总会有水汽和微小颗粒存在，二是远距离照明光束发散角度较小，三是照明和成像设备距离较近。当远距离夜视照明时，从照明光源位置看目标，光源光束的后向散射很容易被凸显出来，尤其是有轻微雾气的夜晚后向散射会更加严重。如说明书附图中的图1所示，由于后向散射形成了明显的光柱，基本无法对激光照明目标进行观测。图1中，在近距离后向散射较弱的条件下，人物的脸部特征，衣着打扮，肢体的动作等就可以清晰的被摄像机捕捉到，从而有利于夜视监控。

由于上述后向散射问题严重影响连续波激光照明夜视的作用距离，而脉冲式距离选通激光夜视仪能从根本上解决这一问题。选通脉冲激光器由于占空比不会很高，要求峰值功率要上千瓦，通常采用绿光固体激光器做照明器，峰值功率可达上千瓦。作为激光夜视来说，可见光的激光容易暴露监控位置，同时对人眼也有伤害，不适合做激光夜视照明光源。

激光夜视通常采用人眼不可见近红外半导体激光器做照明光源，而上千瓦的大功率半导体脉冲激光器通常被国外所垄断，国内尚无成熟产品。国内可以做的脉冲半导体激光器通常为两种方式来实现，一是连续激光器做脉冲用，通常为光纤耦合输出半导体激光器，出光功率最大在100W左右，光斑匀化较好，后期整形方便，价格较高；另一种是多个bar条输出激光器，出光功率可达千瓦以上，对于激光夜视仪来说，由于阵列bar条半导体激光器的发光面较大，后期整形难度较大，不易采用；可以使用的只有单bar条半导体激光器比较合适，性价比也较高。

另外由于激光夜视设备的成像和照明器通常在一起，再有激光夜视用于室外云台承载应用，通常只能用散热片加风冷形式来实现散热。这就限制了激光器的尺寸和散热形式。

单个bar条激光器出光功率可达2百瓦，要达到上千瓦的峰值功率，至少需要5个激光照明器才能满足。但是由于是独立的照明器，会存在严重的干涉散斑现象，同时多个照明器占用空间较大，另外在光斑重叠调试时也存在较大的困难。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种超大功率近红外半导体激光照明器。

本发明的超大功率近红外半导体激光照明器，其特别之处在于：包括主壳体和设置于主壳体外围的多个激光器模组，激光器模组由单bar条半导体激光器和与其固定的激光器固定散热组件组成，单bar条半导体激光器用于产生激光束，每个单bar条半导体激光器的前端均设置有对其发出的激光束进行会聚的会聚透镜，会聚透镜的前端设置有对激光束进行反射的主反射镜，主反射镜后端的激光束焦点位置处设置有次反射镜，多条激光束经主反射镜反射后会聚于次反射镜的表面，并经次反射镜的反射后合束成具有良好匀化效果的激光束；次反射镜的前端设置有对激光束的出光角度进行调节的整形镜组，以满足激光照明要求。

本发明的超大功率近红外半导体激光照明器，所述单bar条半导体激光器上设置有对其发出激光束的快轴进行快轴角度压缩的柱面镜，通过快轴角度压缩柱面镜的调节，将单bar条半导体激光器发出的激光束整形为快轴和慢轴发散角度相等或近似相等的方形激光束。

本发明的超大功率近红外半导体激光照明器，所述单bar条半导体激光器的发光端面到会聚透镜间的距离、从会聚透镜经主反射镜到次反射镜之间的距离满足物像位置关系，单bar条半导体激光器的发光端面为物面，次反射镜为像面。

本发明的超大功率近红外半导体激光照明器，所述激光器模组的数目为5个，主壳体为正六棱柱形状，5个激光器模组设置于主壳体除底面外的其余5个面上，主壳体上开设有用于固定激光器模组的定位槽；主壳体的前端固定有会聚透镜固定座，会聚透镜固定座的外圈开设有5个固定会聚透镜的外通光孔，内圈开设有5个便于经主反射镜反射后的光束通过的内通光孔，中心位置上开设有便于经次反射镜反射后的光束通过的中心通光孔。

本发明的超大功率近红外半导体激光照明器，所述会聚透镜固定座的前端固定有主反射镜固定座，主壳体的后端固定有次反射镜固定座，主反射镜、次反射镜均为表面反射镜，主反射镜的中央开设有便于经次反射镜反射后的光束通过的通孔；主反射镜固定座的前端固定有镜筒，整形镜组设置于镜筒上，整形镜组由沿激光束射出方向依次布置的透镜一、透镜二和透镜三组成，透镜一和透镜二为负屈光度透镜，用于对激光束进一步发散，透镜三为正屈光度透镜，对光束进行会聚，使激光束形成会聚或平行光束射出。

本发明的超大功率近红外半导体激光照明器，所述激光器固定散热组件的散热筋处固定有散热风扇，激光器固定散热组件上设置有固定单bar条半导体激光器的固定凹槽，单bar条半导体激光器的前侧、上侧分别固定有前玻璃盖板和上玻璃盖板。

本发明的有益效果是：本发明的半导体激光照明器，首先利用会聚透镜对多个单bar条半导体激光器发出的激光束进行会聚，然后多条激光束再经主反射镜的反射后会聚于次反射镜上，经次反射镜的反射后使多条激光束重叠，形成了具有良好匀化效果的激光束，激光束最后经整形镜组的处理后，形成出光角度满足要求的照明激光。本发明的半导体激光照明器，可以将5个200瓦以上功率的单bar条激光器组合在一起，最终形成功率大于1000瓦的激光照明器，满足了大功率激光照明的要求，易于获取清晰的红外激光图像。

本发明的半导体激光照明器，最终使多个激光器发出的光束重叠，具有相互弥补各自之间光束内暗纹、散斑的作用，形成了具有较好匀化效果的重叠激光；由于重叠的光束只用一组整形镜组来实现光束角度控制，有效的解决了上千瓦半导体激光器脉冲出光时带来的多个照明器尺寸大、成本高、对准重叠困难的问题，有益效果显著，适于应用推广。

附图说明

图1为发生明显后向散射时的激光照明成像；

图2为后向散射较弱时的激光照明成像；

图3为本发明的近红外半导体激光照明器的原理图；

图4为本发明的近红外半导体激光照明器的结构爆炸图；

图5为本发明中激光模组的结构示意图；

图6为本发明的近红外半导体激光照明器的结构图；

图7为本发明的近红外半导体激光照明器的剖视图。

图中：1激光器模组一，2激光器模组二，3激光器模组三，4激光器模组四，5激光器模组五，6单bar条半导体激光器，7激光器固定散热组件，8前玻璃盖板，9上玻璃盖板，10散热风扇，11会聚透镜一，12会聚透镜二，13会聚透镜三，14会聚透镜四，15会聚透镜五，16主壳体，17会聚透镜固定座，18主反射镜，19次反射镜，20次反射镜固定座，21会聚透镜一压圈，22会聚透镜二压圈，23会聚透镜三压圈，24会聚透镜四压圈，25会聚透镜五压圈，26主反射镜固定座，27镜筒，28透镜一，29透镜一压圈，30透镜二，31透镜二压圈，32透镜三，33透镜三固定座，34透镜三压圈，35照明器固定座，36整形镜组，37快轴角度压缩柱面镜，38外通光孔，39内通光孔，40中心通光孔，41会聚透镜，42定位槽。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图3和图4所示，分别给出了本发明的近红外半导体激光照明器的原理图和爆炸图，图7给出了其剖视图，所示的近红外半导体激光照明器由主壳体16、5个激光器模组、会聚透镜14、主反射镜18、次反射镜19和整形镜组36组成，所示的主壳体16为正六棱柱形状，主壳体16的最下侧的表面与照明器固定座35相固定，其余的5个面上开设有用于固定激光器模组的定位槽42；5个激光器模组分别为激光器模组一1、激光器模组二2、激光器模组三3、激光器模组四4以及激光器模组五5。如图6所示，可以看出5个激光器模组固定在主壳体16上之后的结构示意图。

图5给出了激光器模组的结构示意图，所示的激光器模组由激光器固定散热组7、单bar条半导体激光器6、快轴角度压缩柱面镜37和散热风扇10组成，激光器固定散热组7上设置有固定单bar条半导体激光器6的凹槽，散热风扇10固定于激光器固定散热组7的散热筋处。单bar条半导体激光器6的前侧、上侧分别固定有前玻璃盖板8、上玻璃盖板9，以实现对单bar条半导体激光器6的密封和保护作用。5个单bar条半导体激光器6所发出的方形光束的方向一致，均沿主壳体16的轴线方向。

半导体激光器的快轴，又称为垂直发散角，是半导体激光器的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15°～40°左右。半导体激光器的慢轴，又称为水平发散角，是半导体激光器的发光带与PN结平行方向所张开的角度，一般在6°～10°。如果单bar条半导体激光器6出光角度为8°×40°的矩形光斑，慢轴8°，快轴40°。经过快轴角度压缩柱面镜37将快轴角度进行压缩处理，使其快轴发散角度与慢轴角度近似。因此激光器模组出射的激光截面近似为方形，方形光束便于会聚透镜41的会聚压缩，实现光束角度的会聚。

单bar条半导体激光器6的前端固定有会聚透镜固定座17，会聚透镜固定座17的外围开设有5个外通光孔38，5个会聚透镜（会聚透镜一11、会聚透镜二12、会聚透镜三13、会聚透镜四14、会聚透镜五15）分别固定于5个外通光孔38中，并通过5个会聚透镜压圈（会聚透镜一压圈21、会聚透镜二压圈22、会聚透镜三压圈23、会聚透镜四压圈24、会聚透镜五压圈25）固定。单bar条半导体激光器6发出的方形光束经会聚透镜后，将光束的发散特性改变为会聚特性。

会聚透镜固定座17的前端固定有主反射镜固定座26，会聚透镜固定座17后端的主壳体16上固定有次反射镜固定座20，主反射镜18、次反射镜19分别固定于主反射镜固定座26、次反射镜固定座20上。主反射镜18和次反射镜19均为表面反射镜，次反射镜19位于主反射镜18的焦点位置处，以使经主反射镜18反射后的激光束会聚于次反射镜19上。光束经次反射镜19的反射后重叠为一束光束，通过相互弥补各自之间光束内暗纹、散斑作用，可形成具有良好匀化效果的激光束。

主反射镜固定座26的前端固定有镜筒27，整形镜组36设置于镜筒27上。整形镜组36由沿激光束的出射方向依次布置的透镜一28、透镜二30和透镜三32组成，透镜一28、透镜二30分别通过透镜一压圈29、透镜二压圈31固定于镜筒27的后端；镜筒27的前端固定有透镜三固定座33，透镜三32通过透镜三压圈34固定于透镜三固定座33上。透镜一28、透镜二30为具有负屈光度的透镜，透镜三32为具有正屈光度的透镜；经次反射镜19反射的光束透过透镜一28、透镜二30进一步发散，透镜三32实现对光束的会聚作用，以便对光束的出光角度进行调节。

本发明的半导体激光照明器的工作原理：5个激光器模组中的单bar条半导体激光器6沿相同方向发出激光束，激光束首先经会聚透镜的会聚处理，变发散特性为会聚特性；然后主反射镜18对激光束进行反射，使5条激光束会聚于次反射镜19的表面，经次反射镜19的反射后使5条光束重叠，由于单bar条半导体激光器6所发激光束的快轴、慢轴方向不同，使其具有相互弥补各自之间光束内暗纹、散斑的作用，形成了具有较好匀化效果的重叠激光；最后整形镜组对激光束的出光角度进行调节，使其满足激光照明成像要求。

Claims (6)

1.一种超大功率近红外半导体激光照明器，其特征在于：包括主壳体（16）和设置于主壳体外围的多个激光器模组，激光器模组由单bar条半导体激光器（6）和与其固定的激光器固定散热组件（7）组成，单bar条半导体激光器用于产生激光束，每个单bar条半导体激光器的前端均设置有对其发出的激光束进行会聚的会聚透镜（14），会聚透镜的前端设置有对激光束进行反射的主反射镜（18），主反射镜后端的激光束焦点位置处设置有次反射镜（19），多条激光束经主反射镜反射后会聚于次反射镜的表面，并经次反射镜的反射后合束成具有良好匀化效果的激光束；次反射镜的前端设置有对激光束的出光角度进行调节的整形镜组，以满足激光照明要求。

2.根据权利要求1所述的超大功率近红外半导体激光照明器，其特征在于：所述单bar条半导体激光器（6）上设置有对其发出激光束的快轴进行快轴角度压缩的柱面镜（37），通过快轴角度压缩柱面镜的调节，将单bar条半导体激光器发出的激光束整形为快轴和慢轴发散角度相等或近似相等的方形激光束。

3.根据权利要求1或2所述的超大功率近红外半导体激光照明器，其特征在于：所述单bar条半导体激光器（6）的发光端面到会聚透镜（41）之间的距离、从会聚透镜经主反射镜（18）到次反射镜（19）之间的距离满足物像位置关系，单bar条半导体激光器的发光端面为物面，次反射镜为像面。

4.根据权利要求1或2所述的超大功率近红外半导体激光照明器，其特征在于：所述激光器模组的数目为5个，主壳体（16）为正六棱柱形状，5个激光器模组设置于主壳体除底面外的其余5个面上，主壳体上开设有用于固定激光器模组的定位槽（42）；主壳体的前端固定有会聚透镜固定座（17），会聚透镜固定座的外圈开设有5个固定会聚透镜的外通光孔（38），内圈开设有5个便于经主反射镜（18）反射后的光束通过的内通光孔（39），中心位置上开设有便于经次反射镜（19）反射后的光束通过的中心通光孔（40）。

5.根据权利要求4所述的超大功率近红外半导体激光照明器，其特征在于：所述会聚透镜固定座（17）的前端固定有主反射镜固定座（26），主壳体（16）的后端固定有次反射镜固定座（20），主反射镜（18）、次反射镜（19）均为表面反射镜，主反射镜的中央开设有便于经次反射镜反射后的光束通过的通孔；主反射镜固定座的前端固定有镜筒（27），整形镜组设置于镜筒上，整形镜组由沿激光束射出方向依次布置的透镜一（28）、透镜二（30）和透镜三（32）组成，透镜一和透镜二为负屈光度透镜，用于对激光束进一步发散，透镜三为正屈光度透镜，对光束进行会聚，使激光束形成会聚或平行光束射出。

6.根据权利要求1或2所述的超大功率近红外半导体激光照明器，其特征在于：所述激光器固定散热组件（7）的散热筋处固定有散热风扇（10），激光器固定散热组件上设置有固定单bar条半导体激光器（6）的固定凹槽，单bar条半导体激光器的前侧、上侧分别固定有前玻璃盖板（8）和上玻璃盖板（9）。