CN110445013A - 一种半导体激光器模块以及医疗用激光光源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体激光器模块以及医疗用激光光源，包括由至少2个半导体激光巴条组成的半导体激光器叠阵，依次设置于激光出光方向上的快轴准直透镜和出光窗片；所述出光窗片设置于不同激光巴条发出激光光束的未产生能量叠加的几何连接临界位置或者其之后的任意位置。基于本发明提供的半导体激光器模块，在保证了光斑均匀度的前提下大大减小了半导体激光器模块的体积，提高了医疗用光源的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种半导体激光器模块以及医疗用的激光光源。
背景技术
目前，激光医疗作为激光应用的一个重要领域，发展迅速。半导体激光器因具有体积小、重量轻、寿命长、波长覆盖广的特点，特别适用于医疗设备。
对于激光医疗的传统光学解决方案，激光器输出光斑需要通过一系列复杂的光学系统，使其光斑达到可应用的状态，常见光学系统为光波导、多透镜系统等，由于激光器体积、能量以及当其技术限制，这些光学系统往往做的体积比较大、结构比较复杂、成本比较高等，限制了终端医疗模块的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的主要目的在于提供一种半导体激光器模块，采用超简化的光学系统，在保证了光斑均匀度的前提下大大减小了半导体激光器模块的体积，提高了医疗用光源的灵活性。
本发明的技术方案如下：
一种半导体激光器模块， 包括由至少2个半导体激光巴条组成的半导体激光器叠阵，以及设置于激光出光方向上的出光窗片；
所述出光窗片设置于不同激光巴条发出激光光束的未产生能量叠加的几何连接临界位置或者其之后的任意位置。
所述半导体激光器模块还包位于半导体激光器叠阵与出光窗片之间的快轴准直透镜，所述激光光束经快轴准直透镜准直后的快轴发散角为2°至25°之间。
所述快轴准直透镜为双曲非球面透镜、或者柱面透镜、或者椭球非球面透镜。
所述快轴准直透镜为与激光巴条一一对应的透镜，或者为与激光巴条个数一致的微透镜阵列。
所述半导体激光器叠阵包括n个激光巴条，其中n≥3；所述出光窗片设置于不同激光巴条发出激光光束的几何连接临界位置至不同巴条发出激光光束的n-1次能量叠加与n次能量叠加的临界位置之间。
所述半导体激光器叠阵包括至少5个巴条，所述出光窗片设置于不同巴条发出激光光束的几何连接临界位置至不同激光巴条发出激光光束的三次能量叠加与四次能量叠加的临界位置之间。
所述出光窗片的位置为不同激光巴条发出激光光束的几何连接临界位置，或者不同激光巴条发出激光光束的二次能量叠加与三次能量叠加的临界位置，或者不同激光巴条发出激光光束的三次能量叠加与四次能量叠加的临界位置，或者不同巴条发出激光光束能量强度分布的半高宽的叠加位置。
所述出光窗片的位置距激光巴条出光处的距离为激光巴条出光处的发散角、以及相邻激光巴条的芯片间距的函数。
一种医疗用激光光源，应用了上述半导体激光器模块，还包括壳体，所述壳体包括放置上述半导体激光器模块的容置腔，且在出光窗片四周形成中空的固定槽用于固定出光窗片。
所述半导体激光器模块包括至少两个所述的半导体激光器叠阵，所述半导体激光器叠阵沿激光巴条的堆叠方向或者堆叠方向的垂直方向进行排列扩展为面阵光源。
本发明具有以下有益效果：光学系统仅采用快轴准直透镜，准直后直接通过出光窗片出射，不再使用传统的光波导，在保证了光斑均匀度的前提下大大减小了半导体激光器模块的体积，提高了医疗用光源的灵活性，并且易于实现半导体激光器模块的功率扩展，降低了应用成本。
附图说明
图1为本发明半导体激光器模块的结构示意图。
图2为本发明中不同激光巴条发出激光光束的叠加示意图。
图3为快轴准直透镜为微透镜阵列的实施例。
图4为快轴准直透镜为单个微透镜组合的实施例。
图5为本发明提出的医疗激光光源的结构示意图。
附图标号说明：1-半导体激光器叠阵，2-出光窗片，3-激光巴条，4-快轴准直透镜，5-几何连接临界位置，6-二次能量叠加与三次能量叠加的临界位置，7-三次能量叠加与四次能量叠加的临界位置，8-半高宽的叠加位置，9-壳体，10-窗片制冷结构。
具体实施方式
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。
本发明的半导体激光器模块包括由至少2个半导体激光巴条3组成的半导体激光器叠阵1，依次设置于激光出光方向上的快轴准直透镜4和出光窗片2； 所述出光窗片2设置于不同激光巴条发出激光光束的未产生能量叠加的几何连接临界位置5或者其之后的任意位置。
如图2所示，所述的几何连接临界位置5的含义为经快轴准直镜4准直后且仍具有一定发散角的激光光束，在其光束传播路径上，首次发生相邻激光光束交汇或者叠加的临界位置理解为几何连接临界位置。需要说明的是，几何连接临界位置处，相邻的激光光束边界相连接但没有能量的叠加，由于单束激光光束的能量分布为一般为高斯分布，使得半导体激光器叠阵在此位置的光斑能量分布为明暗交替分布的条形序列光斑。
为了获得更为均匀的光斑以适用医疗领域，快轴准直透镜4可以采用双曲非球面透镜，得到平顶均匀分布的单束激光光束，使得半导体激光器叠阵在所述几何连接临界位置获得医疗应用可用的均匀光斑。该实施例的优点为采用了简单的光学系统，出光窗片的位置与半导体激光器叠阵的距离相比传统方案大大的缩短了，使得在医疗应用中半导体激光器模块的体积减小，提高了灵活性，降低了成本。本申请所指的医疗应用，尤其指的是脱毛等皮肤处理应用。
进一步的，所述半导体激光器叠阵包括n个激光巴条，其中n≥3；所述出光窗片2设置于不同激光巴条3发出激光光束的几何连接临界位置5至不同巴条发出激光光束的n-1次能量叠加与n次能量叠加的临界位置之间，其中，能量叠加的次数n与激光巴条的个数n一致, n为自然数。多个激光巴条所发出的激光光束在其光路传播中自上述几何连接临界位置5起，会出现相邻以及非相邻激光光束的叠加，随着光斑位置距激光出光点越远，最高可出现n次能量叠加的光斑， 出现n次能量叠加的临界位置处的光斑一般为典型的高斯分布，在医疗或者工业的应用中较为局限，所以出光窗片2的最远位置一般不超过所述的n-1次能量叠加与n次能量叠加的临界位置。
需要说明的是:
1)所述n次能量叠加理解为有n束激光光束发生了能量叠加，并非指能量成倍叠加，n次能量叠加区域中光斑的叠加能量是变化的。
2)所述的n-1次能量叠加与n次能量叠加的临界位置，理解为存在n-1束激光光束发生了能量叠加，但还未出现n束激光的能量叠加的临界位置。
具体的，n的取值优选为5。所述半导体激光器叠阵1包括至少5个激光巴条，所述出光窗片2设置于不同激光巴条3发出激光光束的几何连接临界位置5至不同激光巴条发出激光光束的4次能量叠加和5次能量叠加的临界位置之间；进一步的，如图2所示，由于激光医疗对于光斑均匀性的要求，出光窗片2优选设置于不同激光巴条3发出激光光束的几何连接临界位置至不同激光巴条发出激光光束的三次能量叠加与四次能量叠加的临界位置之间。所述三次能量叠加与四次能量叠加的临界位置，可以理解为该位置处仅存在光斑能量的三次叠加，还未产生能量的四次叠加，并且三次能量叠加的各光束的边界连接，在出光窗片上的光斑能量分布为较为均匀的平顶分布。
需要说明的是，出光窗片2在不同巴条发出激光光束的几何连接临界位置至不同激光巴条发出激光光束发生四次能量叠加的临界位置之间的区间位置时，光斑能量随着出光窗片位置的调整，光斑均匀性会存在差异，比如在某些位置上实质为明暗交替的条纹光斑，但亮条纹的宽度远大于暗条纹的宽度，使得光斑能量近似为均匀的能量分布，不影响在医疗或者工业的应用。
作为本发明一个最优的实施例，所述出光窗片2的最优位置为
1） 不同激光巴条发出激光光束的几何连接临界位置5，理解为在不同激光光束传播路径上，首次发生相邻激光光束交汇或者叠加的临界位置，相邻的激光光束边界相连接但没有能量的叠加。
2）不同激光巴条发出激光光束的二次能量叠加与三次能量叠加的临界位置6，理解为该位置处仅存在光斑能量的两次叠加，还未产生能量的三次叠加，并且两次能量叠加的各光束的边界连接；进一步的，两次能量叠加也可以理解为仅存在相邻激光巴条的两两交汇或叠加。
3）不同激光巴条发出激光光束的三次能量叠加与四次能量叠加的临界位置7；该位置处仅存在光斑能量的三次叠加，还未产生能量的四次叠加，并且三次能量叠加的各光束的边界连接。所述的三次叠加产生的前提为半导体激光器叠阵至少包括3个激光巴条，相邻的3个激光巴条发出的激光光束在其传播方向上由于发散角的存在必然会出现3束激光光束的交汇，交汇区即为光斑能量的三次叠加区域。
4）所述出光窗片2还可以位于不同巴条发出激光光束能量强度分布的半高宽的叠加位置8。
在上述前三处临界位置处的叠加光斑边界相连接，在出光窗片上的光斑能量分布为较为均匀的平顶分布或者近似为均匀的平顶分布，可以实现较优的脱毛以及其他皮肤治疗效果。第4）位置虽然不是典型的边界连接的临界位置，但此位置处的光斑能量也较为均匀，可作为医疗应用的优选位置。
需要说明的是，所述出光窗片2的位置距激光巴条出光处的距离由快轴准直镜的焦距、激光巴条的芯片发散角以及相邻激光巴条的芯片间距有关，可以理解为出光窗片2的位置距快轴准直透镜出光处的距离为快轴准直镜的焦距、激光巴条的芯片发散角以及相邻激光巴条的芯片间距的函数。一般而言，前述出光窗片的位置与所述发散角成负相关、与相邻激光巴条的芯片间距成正相关，可以理解为，所述发散角越大或者所述芯片间距越大，出光窗片与激光巴条的距离越近。
具体的，以下以图2所标示的几何连接临界位置5距快轴准直透镜出光面的距离L1、二次能量叠加与三次能量叠加的临界位置6距快轴准直透镜出光面的距离L3、三次能量叠加与四次能量叠加的临界位置7距快轴准直透镜出光面的距离L4为例说明其关系：
L 1= f(P-D) / [2* tg(θ0/2) *(2f-Δ)]
L3 = f(2P-D)/ [2* tg(θ0/2) *(2f-Δ)]
L4 = f(3P-D)/ [2* tg(θ0/2) *(2f-Δ)]
其中，f-快轴准直透镜的焦距，P-相邻激光巴条的芯片间距，D-快轴准直透镜的通光孔径，θ0为激光巴条的芯片发散角，Δ为离焦量，为保证所述快轴准直镜准直后的激光光束存在发散角，本发明中的Δ为正。
需要说明的是，所述快轴准直透镜对于激光光束的处理并非是绝对的准直，而是使激光光束从芯片的原始发散角（一般为45°至70°）进行压缩后得到仍具有一定发散角的激光光束，以使得激光光束在传播过程中会发成能量叠加。优选的，所述激光光束经快轴准直透镜准直后的快轴发散角为2°至25°之间。如果激光芯片的原始发散角可以实现2°至25°的情况下，快轴准直透镜也可以省略。
基于上述快轴准直透镜的功能，所述快轴准直透镜为双曲非球面透镜、或者柱面透镜、或者椭球非球面透镜。
进一步的，如图4所示，所述快轴准直透镜4为与激光巴条一一对应的微透镜，以单个透镜的形式逐一安装于所述半导体激光器叠阵的激光巴条的出光方向上；或者图3所示所述快轴准直透镜4也可以为与激光巴条个数一致的微透镜阵列，微透镜阵列同意安装于半导体激光器叠阵的出光方向上。所述快轴准直透镜可以粘接于半导体激光器上，也可以通过外部固定件夹持于与半导体激光器一定距离的位置。
基于上述半导体激光器模块，本发明提出了一种医疗用激光光源。如图5所示，所述医疗用激光光源还包括壳体9，所述壳体包括放置上述半导体激光器模块的容置腔，且在出光窗片四周形成中空的固定槽用于固定出光窗片2。
具体的，所述壳体9的直径为匹配半导体激光器叠阵的尺寸和出光窗片的尺寸，可采用渐变直径。如图5所示，在某些实施例中，半导体激光器叠阵1的慢轴方向的宽度大于出光窗片2，使得壳体的后部宽度（后部宽度位置指半导体激光器模块的容置腔的宽度）大于前部宽度（前部宽度位置指固定出光窗片的壳体位置）。
具体的，所述医疗用激光光源还包括窗片制冷结构10，所述窗片制冷结构10的内径中空且与出光窗片匹配使得出光窗片内嵌其中；窗片制冷结构的外径与壳体前端中空的固定槽匹配且固定在前述壳体9的固定槽上。
进一步的，所述半导体激光器模块包括至少两个所述的半导体激光器叠阵1，所述半导体激光器叠阵沿激光巴条的堆叠方向或者堆叠方向的垂直方向进行排列扩展为面阵光源，可以理解为半导体激光器叠阵沿其激光快轴和慢轴方向进行扩展形成面阵，具体的，相邻半导体激光器叠阵的排列可以呈一定夹角，以优化面阵光源的光斑能量密度以及均匀性。本实施例所提出的医疗用激光光源，增加了医疗用光源（尤其是脱毛光源）功率扩展的灵活性，也因为其精简的光学元件，使得功率扩展后的光源易于实施，不但保证的光斑质量，而且降低了扩展成本，有较大的市场应用价值。
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。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体激光器模块，其特征在于， 包括由至少2个半导体激光巴条组成的半导体激光器叠阵，以及设置于激光出光方向上的出光窗片；
所述出光窗片设置于不同激光巴条发出激光光束的未产生能量叠加的几何连接临界位置或者其之后的任意位置。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器模块，其特征在于，还包括位于半导体激光器叠阵与出光窗片之间的快轴准直透镜，所述激光光束经快轴准直透镜准直后的快轴发散角为2°至25°之间。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器系统，其特征在于，所述快轴准直透镜为双曲非球面透镜、或者柱面透镜、或者椭球非球面透镜。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器系统，其特征在于，所述快轴准直透镜为与激光巴条一一对应的透镜，或者为与激光巴条个数一致的微透镜阵列。
5.根据权利要求1-4之一所述的半导体激光器模块，其特征在于，所述半导体激光器叠阵包括n个激光巴条，其中n≥3；所述出光窗片设置于不同激光巴条发出激光光束的几何连接临界位置至不同巴条发出激光光束的n-1次能量叠加与n次能量叠加的临界位置之间。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器系统，其特征在于，所述半导体激光器叠阵包括至少5个巴条，所述出光窗片设置于不同巴条发出激光光束的几何连接临界位置至不同激光巴条发出激光光束的三次能量叠加与四次能量叠加的临界位置之间。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器系统，其特征在于，所述出光窗片的位置为不同激光巴条发出激光光束的几何连接临界位置，或者不同激光巴条发出激光光束的二次能量叠加与三次能量叠加的临界位置，或者不同激光巴条发出激光光束的三次能量叠加与四次能量叠加的临界位置，或者不同巴条发出激光光束能量强度分布的半高宽的叠加位置。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器系统，其特征在于， 所述出光窗片的位置距激光巴条出光处的距离为激光巴条出光处的发散角、以及相邻激光巴条的芯片间距的函数。
9.一种医疗用激光光源，应用了权利要求1-8之一所述的半导体激光器模块，其特征在于，还包括壳体，所述壳体包括放置上述半导体激光器模块的容置腔，且在出光窗片四周形成中空的固定槽用于固定出光窗片。
10.根据权利要求9所述的医疗用激光光源，其特征在于，所述半导体激光器模块包括至少两个所述的半导体激光器叠阵，所述半导体激光器叠阵沿激光巴条的堆叠方向或者堆叠方向的垂直方向进行排列扩展为面阵光源。
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| CN201910806930.9A CN110445013A (zh) | 2019-08-29 | 2019-08-29 | 一种半导体激光器模块以及医疗用激光光源 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113972555A (zh) * | 2020-07-23 | 2022-01-25 | 山东华光光电子股份有限公司 | 一种半导体激光器叠阵的光学处理方法 |
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2019
- 2019-08-29 CN CN201910806930.9A patent/CN110445013A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN113972555A (zh) * | 2020-07-23 | 2022-01-25 | 山东华光光电子股份有限公司 | 一种半导体激光器叠阵的光学处理方法 |
| WO2022016753A1 (zh) * | 2020-07-23 | 2022-01-27 | 山东华光光电子股份有限公司 | 一种半导体激光器叠阵的光学处理方法 |
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