CN110998998B - 激光汽车灯装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光光源装置(1)，其包括：激光二极管(2)；第一光学组件(5)，包括一个或多个透镜(52，53，54，55)，用于从激光二极管(2)发射的光(23)生成准直的激光束；掺杂的微结构化玻璃块(4)，被配置为当由准直的激光束(23)泵浦时生成至少第一波长和第二波长的激光发射(404，405，406，407)；输入光束透镜(56)，用于将准直的激光束(23)聚焦到微结构化玻璃块(4)的输入表面(41)上；光学对准组件(6)，包括：激光二极管外壳(51)，用于安装和对准激光二极管(2)和第一光学组件(5)；以及微结构化玻璃块安装件(57，58)，被配置为安装和对准输入光束透镜(56)和微结构化玻璃块(4)；输出光导组件，包括至少一个透镜(61)，用于将来自微结构化玻璃块(4)的输出表面(42)的输出光准直成输出光束(25)；以及外壳(7)，用于容纳和支撑光学对准组件(6)和输出光导组件，其中激光二极管外壳(51)被配置为消散来自激光二极管(2)的热量并且由热稳定且具有高导热率的材料构成，以将激光二极管的输出维持在预定的可接受的输出范围内；以及微结构化玻璃块(4)包括至少一个微结构化波导(43)，微结构化波导(43)在由输入光束(23)泵浦时生成多个不同波长的窄带光发射(404，405，406，407)。

Description

激光汽车灯装置
技术领域
本公开涉及汽车照明系统。在特定形式中，本公开涉及将激光照明源用于汽车照明系统。
背景技术
与LED光源相比，激光光源提供较小的发光面积和良好的光输出几何形状。但是，激光光源通常是复杂且相对脆弱的(例如HeNe气体激光器)，和/或具有窄带发射波长(例如AlGalnP激光二极管)，因此迄今为止，大多数用途仅限于特定应用，诸如测距应用，或者用于在雾天或雨天的高强度警告设备，其中生成单个频率没有太多限制。但是，考虑到由激光源提供的光学耦合效率和相关联的紧凑光学系统的潜在改进，期望使用它们来生成白光源来代替现有的白光LED和灯系统。
迄今为止，已经使用了两种主要方法来生成基于激光的白光源。第一种也是最常见的方法是将激光光源与光/波长转换材料耦合以生成目标颜色，诸如白光。大多数系统都使用蓝光到UV波长范围内的激光源，再加上吸收激光光子并在期望的频带上重新发射的磷光体。在一个系统中，使用非线性光纤代替光纤，以在期望的波长范围上分散或散布传入的激光。这些方法可以用于产生具有高强度的白光，但遗憾的是，使用磷光体(和其它光转换材料)的缺点是失去了低光束角的激光特性(例如磷光体自然散射)。这导致为了重新控制光而导致的增加的光学元件尺寸，并因此增加了光模块包装尺寸。由于空间在汽车照明应用中通常非常宝贵，因此这种增大尺寸是一个明显的缺点，并且与常规的LED技术相比，使用激光没有带来明显的好处。
第二种主要方法是避免使用波长转换(或扩展)元件，而是通过组合多个激光源(各自具有不同的频率)来生成白光。通过仔细选择和布置带有光学组合元件的红色、绿色和蓝色激光光源，可以生成带有低光束角的高强度白光源。但是，使用三个激光光源和相关联的光学器件具有成本、复杂性和尺寸增加的缺点，因为这三个光源会产生大量热量(必须消散)，并且附加部件会导致光模块尺寸增加(如基于磷光体的方法)，这也增加了制造成本和复杂性。
因此，需要提供一种用于汽车应用的改进的白光激光光源，其具有诸如低复杂性、部件数量少和/或成本低的特征，或者至少提供当前解决方案的有用替代方案。
发明内容
根据第一方面，提供了一种激光光源装置，包括：
激光二极管；
第一光学组件，其包括一个或多个透镜，用于从激光二极管发射的光生成准直的激光束；
掺杂的微结构化玻璃块，其被配置为当由准直的激光束泵浦时生成至少第一波长和第二波长的激光发射；
输入光束透镜，用于将准直的激光束聚焦到微结构化玻璃块的输入表面上；
光学对准组件，包括：
激光二极管外壳，用于安装和对准激光二极管和第一光学组件；以及
微结构化玻璃块安装件，其被配置为安装和对准输入光束透镜和微结构化玻璃块；
输出光导组件，其包括至少一个透镜，用于将来自微结构化玻璃块的输出表面的输出光准直成输出光束；以及
外壳，用于支撑光学对准组件和输出光导组件，
其中激光二极管外壳被配置为消散来自激光二极管的热量并且由热稳定且具有高导热率的材料构成以，将激光二极管的输出维持在预定的可接受的输出范围内，以及
微结构化玻璃块包括至少一个微结构化波导，该微结构化波导在由输入光束泵浦时生成多个不同波长的窄带光发射。
在一种形式中，激光二极管外壳由导热率大于或等于180W/(mK)且线性热膨胀系数小于2x10-5m/(mK)的材料制成。在另一种形式中，激光二极管外壳由铝制成。
在一种形式中，激光二极管是蓝光激光二极管，其发射波长在400至460nm范围内的光，并且至少第一波长和第二波长包括在495-570nm范围内的绿色波长和在620-700nm范围内的红色波长。在另外的形式中，蓝光激光二极管至少在442nm处发射并且第一波长为635nm并且第二波长为527nm。
在一种形式中，掺杂的微结构化玻璃块包括在输入表面上的至少第一涂层和在输出表面上的至少第二涂层。除了一个微结构化波导，也可以有多个这样的波导。
在一种形式中，第一波长和第二波长表示由于掺杂的微结构化玻璃块中的激发电子的衰减而引起的两个不同的受激发射，第一波长具有比第二波长更大的发射效率，并且第一激光涂层和第二激光涂层被配置为在掺杂的微结构化玻璃块内相对于第一波长增加第二波长的反射效率。在一种形式中，每个微结构化波导都包括环形圆柱体，并且通过选择圆柱体的长度、内径和/或壁厚来控制激光器发射的效率。
在一种形式中，掺杂的微结构化玻璃块中的圆柱体的内径在100μm至60μm的范围内。
在一种形式中，第一光学组件包括用于沿着快速准直轴准直来自激光二极管的发射光的第一非球面透镜和用于沿着慢速准直轴准直来自激光二极管的发射光的第二非球面透镜。在另一种形式中，从激光二极管到第二非球面透镜的距离是从激光二极管到第一非球面透镜的距离的4倍。
在一种形式中，第一光学组件包括复合透镜，该复合透镜包括：用于沿着快速准直轴准直来自激光二极管的发射光的近侧透镜表面，以及用于沿着慢速准直轴准直来自激光二极管的发射光的远侧透镜表面。在另一种形式中，选择复合透镜的长度，使得当安装在激光二极管外壳中时，从激光二极管到远侧透镜表面的距离是从激光二极管到近侧透镜表面的距离的4倍。
在一种形式中，该装置还包括印刷电路板组件(PCBA)和用于对安装在外壳中的激光二极管供电和控制的电子模块。
在一种形式中，激光光源装置将被集成到汽车照明模块中。
附图说明
将参考附图讨论本公开的实施例，其中：
图1A是具有本发明的激光光源装置的汽车照明模块的示意性前视图；
图1B是图1A的模块沿着AA的横截面图；
图2A是根据第二实施例的激光光源装置的横截面图；
图2B是根据第三实施例的激光光源装置的光学布局的示意图；
图2C是根据第四实施例的激光光源装置的光学布局的示意图；
图3A是根据第五实施例的带有激光光源装置的汽车照明模块的没有正面的示意性前视图；
图3B是根据第六实施例的带有激光光源装置的汽车照明模块的没有正面的示意性前视图；
图4A是根据实施例的ZBLAN玻璃块的显微镜图像的端视图；
图4B是图4A的显微镜图像的顶视图；
图4C是示出根据实施例的形成微结构波导的重叠的圆柱形细丝的示意图；
图5是根据实施例的Pr掺杂的ZBLAN玻璃块的示意性能级图；以及
图6是根据实施例的掺杂的ZBLAN玻璃块的输入表面和输出表面上的涂层的透射光谱。
在下面的描述中，在所有图中，相同的附图标记表示相同或对应的部分。
具体实施方式
现在将描述使用单个激光源和单个光学元件/激光振荡器(或增益介质)来生成多个窄带光发射的激光光源装置的实施例，这些窄带光发射被组合以产生适用于汽车应用的高强度窄光束输出光源(例如黄色或红色)。例如，该系统可以用于生成窄带红色和绿色光，其可以被组合以生成高强度窄光束黄色光源；或者生成窄带蓝色、红色和绿色光，其可以被组合以生成高强度窄光束白光源。单个光学元件是激光振荡器，其包括掺杂的微结构化玻璃块，该微结构化玻璃块被配置为当由准直激光束泵浦时生成至少第一波长和第二波长的激光发射。在一个实施例中，这是通过选择掺杂的微结构化玻璃块的输入表面和输出表面上的涂层以及掺杂的微结构化玻璃块内的多个微结构化波导来实现的。激光源是蓝色光源，诸如蓝色激光二极管，其泵浦掺杂的微结构化玻璃块以生成至少第一波长和第二波长，该第一波长和第二波长表示由于掺杂的微结构化玻璃块中的激发电子的衰减而引起的两个不同的受激发射。例如，这些波长可以是在500至560nm范围内的绿色波长和在595至700nm范围内的红色波长。可以生成其它波长，诸如蓝色波长，或者涂层可以允许一些输入的蓝光穿过输出涂层。微结构被配置为控制受激激光发射的增益或效率。因此，激光光源和掺杂的微结构化玻璃块的配置会生成多个不同波长的窄带光发射，它们可以被组合以生成单个输出光束，该光束保留期望的高强度和低光束角的激光特性以及期望的输出色谱(例如白光)。这种单个二极管和掺杂的微结构化玻璃块布置避免了使用散射磷光体(或类似的分散或散射部件)，也避免了多个激光源和光学组件的复杂性。
现在参考图1A和1B，其分别在正视图和横截面中示出了具有本发明的激光光源装置1的汽车照明模块。详细地，在图1A中可以看到正面72内的输出透镜62，而沿着图1A的线AA截取的图1B揭示了激光光源装置1的结构部件，其包括在激光振荡器4前面的印刷电路板组件(PCBA)3上的激光二极管2，以及光学对准组件5、光导组件6和外壳7。光学对准组件5包括3个非圆柱形透镜52、53、56；并且光导组件6包括位于正面72和背面73之间的非球面透镜61。
图2A的激光光源装置1还包括连接到印刷电路板组件(PCBA)3的激光二极管2和提供功率并控制激光二极管发射(例如，开/关切换)的电子模块。在这个实施例中，激光二极管是蓝光激光二极管，其生成在400至460nm波长范围内的激光发射。在一个实施例中，蓝光激光二极管产生442nm的发射。激光二极管2的输出经由光学对准组件5聚焦到微结构化玻璃块4形式的激光振荡器中。光导组件6聚焦并将微结构化玻璃块4的输出引导到期望的输出位置。外壳7包含并支撑装置1的部件。
光学对准组件5与PCBA 3和外壳7对接，并且用于安装激光源2并将其与微结构化玻璃块4形式的激光振荡器以及诸如光导组件6中的输出光束非球面透镜61之类的光学部件对准。这在图2B和图2C中更详细地示出，图2B和图2C是激光光源装置1的第一和第二光学布局的示意图。第一光学布局使用一对分离的非圆柱形透镜52和54将来自激光二极管2的光聚焦到微结构化玻璃块4中，而第二光学布局使用单个组合非圆柱形透镜元件55。单个透镜的使用更易于批量生产，因为少了一个零件并且要控制的公差较少。
光学对准组件5包括激光二极管外壳51，该激光二极管外壳51安装并对准激光二极管2以及第一和第二非圆柱形透镜52和54(图2B)，或者组合的非圆柱形透镜55(图2C)。如图2B和图2C所示，激光二极管2沿着光轴22输出光束21。激光二极管外壳51将激光器和激光轴/光束21/22与图2B所示的布置中的第一非圆柱形透镜52对准或与图2C所示的布置中的组合的非圆柱形透镜55的前表面对准。在图2B所示的布置的情况下，第一非圆柱形透镜52提供快速轴准直，并且第二非圆柱形透镜54提供慢速轴准直，以产生准直的激光二极管光束23。在图2C所示的布置的情况下，组合的非圆柱形透镜55包括用于沿着快速准直轴准直来自激光二极管的发射光的近侧透镜表面和用于沿着慢速准直轴准直来自激光二极管的发射光的远侧透镜表面(即，它提供快速和慢速轴准直)以生成准直的激光二极管光束23。
光学对准组件5还包括微结构化玻璃块安装件，该微结构化玻璃块安装件被配置为安装和对准输入光束透镜56和微结构化玻璃块4。如图2B所示，微结构化玻璃块安装件包括近侧支撑件57和远侧支撑件58，其安装微结构化玻璃块4并将其与激光二极管外壳51和准直的激光二极管光束23对准。近端支撑件57还安装并对准输入激光二极管(非球面)透镜56，该透镜56将准直的激光二极管光束23聚焦到微结构化玻璃块4的输入表面41上，其可以被聚焦为点或光轴21周围的扩展区域。微结构化玻璃块4充当激光振荡器和波导，以从输入激光二极管光束23生成和引导具有不同波长的多个激光束。远侧支撑件58安装输出光束非球面透镜61，其将来自微结构化玻璃块4的输出表面41的输出光准直成沿着光轴21的单个输出光束25。光导组件然后可以将该单个输出光束引导至期望的输出位置(例如，沿着光导管60和输出透镜/盖62)。例如，掺杂的微结构化玻璃块4可以用于将输入的蓝色激光二极管光束23转换成(或使其通过)窄带蓝色、窄带红色和窄带绿色光束(源)，然后这些光束从掺杂的微结构化玻璃块的远端发射并且被光学组合以生成适用于汽车应用的白光源。
图3A和图3B示出了移除正面72之后的激光光源装置1的前视图，激光光源装置1具有多个非圆柱形透镜52、53以及生成准直的激光二极管光束23的组合的非圆柱形透镜55。
光学对准组件5既用于支撑激光二极管2和光学元件(透镜52、53、54、55、56、61和微结构化玻璃块4)，又用于使部件维持在期望的几何形状并且有助于散热。激光二极管的输出随温度显著降低，因此为了确保激光二极管能够产生合适的输出(即在预定义的可接受输出范围内)，围绕激光二极管2的激光二极管外壳51具有热稳定性并且具有高热导率以将激光二极管的输出维持在预定的可接受输出范围内。在一个实施例中，激光二极管外壳51由铝制成，其具有200W/(mK)的热导率和22x10-6m/(mK)的线性热膨胀系数。在其它实施例中，可以使用具有类似热性质(例如，在约10％内)或更好的热性质的材料，例如热导率大于或等于180W/(mK)和线性热膨胀系数小于2×10-5m/(mK)的材料。附加的散热元件或连接件(例如散热片、散热器)可以连接到激光二极管外壳51，以帮助散热。由于激光二极管是主要的热源，因此外壳被设计为最大化导电外壳材料和激光二极管之间的接触面积。
散热对于其它部件而言不太重要，因此近侧和远侧支撑件57和58以及外壳7可以由其它合适的材料形成。这些材料可以包括丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、适合于注塑成形的其它热塑性塑料、或可机加工或3D打印的塑料或材料。由于光源装置旨在用于汽车应用，因此材料和组件应适合在典型的汽车操作环境中(例如，在耐腐蚀性、热性和振动性方面)使用。
光导组件6聚焦并将微结构化玻璃块4的输出引导到期望的输出位置。在这个实施例中，光导组件6包括位于微结构化玻璃块4后面的透镜，以将光聚焦到光导管6中，光导管6将光引导到输出表面。输出表面可以是透明透镜或具有一个或多个透明部分的盖，以保护光导管并允许光输出。在其它实施例中，光导组件6可以包括光导元件、或具有散射粒子或元件的光学器件的元件、或反射器系统，以将光分发或引导到期望的输出位置或区域。
外壳7支撑并容纳装置，并且包括PCB支撑表面71、正面72和背面73。在这个实施例中，正面是包括连接到PCB支撑面并与输出表面平行的支撑部件的双部件面。
如上所述，该系统通过使用由包含一系列微结构的掺杂的微结构化玻璃块4组成的激光振荡器避免了使用散射磷光体来产生不同颜色的光。掺杂剂用于生成多种波长的发射，输入和输出表面上的涂层被选择以在微结构化玻璃块内包含期望的发射波长(并产生激光)，并且微结构充当控制光束质量的波导。这使得系统在被蓝色激光泵浦时能够生成各自具有不同特性(例如波长和强度)的单独激光束。
在这个实施例中，微结构化玻璃块4是30mm Pr掺杂的ZBLAN玻璃块。ZBLAN玻璃块掺有0.1-1.0mol％范围内的镨。在另一个实施例中，微结构化玻璃块还包括1至100个波导43形式的微结构。波导43被布置成间隔开使得它们彼此平行并且位于单个平面中，如图4A所示，该图4A是ZBLAN玻璃块4中的波导43的显微镜图像的端视图。在这个实施例中，使用了450μm的间距45。波导43的中心线47平行于光学输入表面41和输出表面42(或面)的法线平面，如图4B进一步所示，图4B是ZBLAN玻璃块中的波导43的显微镜图像的顶视图。
如图4C所示，波导43是环形圆柱形波导，其中壁由基础玻璃材料的多个相邻的圆柱形元件48形成，其具有小于大多数ZBLAN玻璃的折射率(约1.5)的修改后的折射率。这些圆柱形元件48形成波导43的壁(壁厚46因此是这些圆柱形元件48的直径46)，并且以相等间距布置在直径为在10至60μm的直径44的节距圆49上，如图4C所示。圆柱形元件48具有在1至15μm的范围内的直径46。这些圆柱形元件具有修改后的折射率，以创建数值孔径在0.01至0.05范围内的波导。波导43将具有包括500-560nm和600-660nm之一或两个波长范围的输出波长范围。可以通过从聚焦激光束(诸如超快速Ti：蓝宝石激光振荡器)发出一系列超短激光脉冲(即<250fs)在ZBLAN玻璃块中形成微结构圆柱形元件48。
可以选择或控制每个波导43的参数，诸如圆柱体48的折射率、圆柱形元件48的壁厚/直径46和波导43的总直径以及间距45，以改变腔体的增益，从而提高激光发射效率。即，通过这些参数来控制在另一个波长处吸收和发射的442nm输入泵浦激光的量。注意的是，波导的参数不影响生成哪个发射波长(这是掺杂剂/材料的性质)。特别地，用于控制光束质量的最重要的参数是壁厚度46，并且如上所述，对于该实施例，该厚度在1至15μm的范围内选择，使得波导结构43的总直径44为10至60μm。微结构化玻璃块4的确切长度并不关键，并且可以被改变。但是，微结构化玻璃块的长度205与从蓝色转换成其它波长的功率量之间存在关系—一般而言，波导的长度要匹配以吸收也取决于特定波长的蓝色泵浦光的蓝色泵浦的功率。因此，微结构化玻璃块的长度是可以用于改变发射的颜色和功率的一个参数。典型的微结构化玻璃块长度为5至30毫米。
输入激光二极管透镜56(更一般地是透镜52、54、55和61)的选择基于物理光学器件—激光束的焦距和数值孔径与微结构化玻璃块4中的微结构化光导相匹配。如果输入激光二极管透镜56的焦距或位置公差与微结构化玻璃块4匹配较差，那么一些光将不会进入波导，从而降低了效率。如果输入非球面透镜56的数值孔径远远大于所需的数值孔径(即匹配值)，那么光将进入微结构化玻璃块4，但不会被捕获并通过微结构化玻璃块4的侧面出射(从而降低效率)。因此，焦距和数值孔径的精确选择将取决于微结构化玻璃块4的直径。如本领域技术人员将理解的，类似的问题也适用于用于向输入激光二极管透镜56产生准直的输入激光二极管光束的透镜52、54、55，因此这些透镜的焦距和数值孔径也将与微结构化玻璃块4和整个光学组件相匹配。类似地，输出光束透镜61的焦距和数值孔径应与微结构化玻璃块4匹配，以确保足够捕获和聚焦输出光束。
微结构化玻璃块4被涂覆在光学输入表面41和输出表面42(或面)上。这些涂层被构造成减少泵浦光的光透射损耗，并针对某些波长在腔体内实现高反射率。该高反射率范围的目标是包括期望的发射波长。因此，具有期望发射波长的光在激光发射腔体内的强度增加。泵浦波长在块输入界面(或表面)41处高度透射，并在块输出界面(或表面)42处高度反射。在块界面处低百分比的透射光是系统的输出。
图5是根据实施例的Pr掺杂的ZBLAN玻璃块的示意性能级图400。激光二极管2充当泵浦激光器，以提供442nm波长的激发能量(即，泵浦激光器至少在442nm处生成/发射)。这将掺杂剂(Pr)中的电子激发到升高的能量状态(或能级)，并且当电子下降到较低的能量状态(或能级)时，它们发射具有特性波长(能量)的光子。即，是系统的发射然后对应于这些状态的激发能量的差异。对于该系统，主要发射是在635nm的发射波长处的红光发射404，随后是在527nm的发射波长处的较弱的绿光发射405。能级系统另外生成在716nm处的红色/红外发射406和在479nm的波长处的蓝色发射407。生成具有不同效率的不同发射，其中主要发射是红色发射404，随后是绿色发射405。
在这个实施例中，微结构化玻璃块4上的涂层是三层，包括Al2O3(第一层，氧化铝)、Ta2O3(第二层，氧化钽)和MgF2(第三层，也是最后一层，氟化镁)。图6是当以635nm处的发射为目标时(依据图5)输入涂层(虚线)542和输出涂层541涂层(实线)的透射光谱的曲线图。如从该图中可以看出，输入涂层542对输入442nm波长具有高透射率(90％)，并且在跨越600至700nm范围的频带553中几乎没有透射率(即100％反射率)，以确保635nm波长被反射并包含在腔体内以生成激光发射。输出涂层541在大部分可见光范围(400至700nm)内具有高反射率(低透射率％)，在635nm波长附近具有5％窗口的低透射率，在587nm(43％全幅半宽最大值(FWHM)12nm)、525nm(27％；FWHM 6nm)和413nm(79％；FWHM 17nm)附近分别具有附加的透射峰555、556和557。因此，绿色527nm发射405在以525nm为中心的透射窗口(透射效率为18％)内。通过控制或调整涂层541、542的反射光谱，系统可以被配置为增加较弱的527nm发射的效率。即，通过选择涂层性质(即在发射波长处的透射率/反射率)，可以调整系统以产生具有特定波长比的混合光。
在上述情况下，调整涂层以生成和输出红色和绿色激光发射。输出涂层541在442nm处的透射效率仅为0.1％，因此，只有非常少量的从激光二极管(激光源)的蓝色激光发射将通过激光振荡器/激光振荡器/增益介质并且被输出。如果基于期望的输出光要求，在输出中期望一些附加的蓝光发射，则可以增加输出涂层在源波长处的透射效率。即，输出光束可以包含在激光振荡器/增益介质中生成的红色和绿色波长分量(由于源激光激发的发射)和来自源激光器的蓝色波长分量(已通过激光振荡器/增益介质)。一般而言，与发射波长的强度相比，源激光器的强度会很大，因此仅需要透射效率的小幅提高，诸如0.1％至0.5％或1％，但其它值可以基于期望的输出要求进行选择。替代地，如果需要蓝光分量，则另一种方法可以是针对479nm发射并调整涂层以输出该分量。
激光二极管的快速轴和慢速轴之间的典型发散率为4:1。因此，从二极管到透镜的距离比(焦距)需要匹配该比率，以产生圆形光束轮廓(4:1)。用于定位每个透镜的重要维度是到二极管发射点的距离。另外，给定该4:1的比率，第二非圆柱形透镜54上的几何公差将是第一非圆柱形透镜52上的几何公差的4倍。在这个实施例中，用于产生不同直径的光束以聚焦到微结构化玻璃块4中的预期范围如下：
从激光二极管2到第一非圆柱形透镜52的距离201：1-3mm；
从激光二极管2到第二非圆柱形透镜54的距离202：5-11mm；
从第二非圆柱形透镜54到输入激光二极管透镜56的距离203：1.86mm；
从输入激光二极管透镜56到输入表面41的距离204：0-4mm；
微结构化玻璃块4的长度205：30mm；
从输出表面42到输出光束透镜61的距离206：0-4mm；以及
从激光二极管2到输出光束透镜61的长度207：44mm。
上述范围(公差)是产生用于聚焦到波导4中的不同直径光束的预期范围，而不仅仅是特定设置的几何公差。
在这个实施例中，增益(或激光发射)介质是由大约52mol.％ZrF4、20mol.％BaF2、4mol.％LaF3、3mol.％AlF3和20mol.％NaF组成的ZBLAN玻璃块。但是，其它ZBLAN(ZrF4、BaF2、LaF3、AlF3和NaF)玻璃以及包含铟和氟的玻璃通常是合适的。替代地，玻璃可以是硅酸铅玻璃；锗酸盐玻璃；碲酸盐玻璃；铋含量至少为30mol％Bi2O3的玻璃；硫属化物玻璃；磷酸盐玻璃和氟磷-酸盐玻璃(也称为氟磷酸盐玻璃)中的一种。在这个实施例中，掺杂剂是在0.1-1.0mol％范围内的镨。但是其它合适的掺杂剂包括Tm离子、Ho离子、Er离子、Dy离子、Yb离子和Nb离子。替代地，中心可以是例如量子点或分子或可以用于放大光的任何其它合适的中心。波导43中的中心在被结构如此引导时放大光。放大是通过辐射的受激发射而产生的，当中心被另一个光源(例如激光二极管光源21)照亮时，会发生辐射的受激发射。
该系统可以被修改为与其它掺杂剂、激光振荡器/增益介质或输入激光波长一起使用。掺杂剂/增益介质组合的选择将确定能级结构(例如，图5)。然后，这确定了激发掺杂剂所需的输入(泵浦)激光波长，并且哪些波长将根据允许的从出射状态到较低能量状态的跃迁来发射。因此，从设计的角度来看，一旦确定了输出光的特性，就可以选择合适的掺杂剂/增益介质/激光源组合，其能够生成所需的输出波长分量，这些波长分量可以被混合以生成期望的输出。接下来，考虑生成期望的输出波长的效率，选择激光输入功率、微结构和涂层。这三个因素共同作用(即，它们都影响输出激光束分量的质量和强度)，因此一个因素(或参数)的选择可能会影响另一个因素的选择，并且可能需要做出一些权衡。选择泵浦激光功率以提供足够的功率(即输入光子)来确保生成具有足够强度的期望的输出波长。选择激光振荡器/增益介质的物理尺寸和微结构化波导参数(例如，维度、数量、间距)，特别是壁厚度46，以控制增益和输出光束的质量。执行输入和输出涂层的选择，以确保在激光振荡器/增益介质内充分包含发射波长来生成期望的激光输出分量。此外，由于将以不同的效率生成和发射不同的波长分量，因此通常对输入和输出涂层进行调整(或选择)以生成期望的输出特性。例如，可以选择涂层以增加(一个或多个)较弱发射的效率。最后，选择外壳材料并将其配置为确保从激光源(例如泵浦激光二极管)充分散热，使得在操作过程中可以维持激光源的效率，并且光学系统的几何形状稳定。
本系统使用单个激光源和单个光学元件(微结构化玻璃块4)，其输出多个激光分量(每个具有不同的波长)，这些激光分量可以被组合以生成具有期望性质的输出光束。例如，上述系统发射窄带红光和窄带绿光(其波长可以被组合以生成黄光)。通过允许输入的窄带光的分量穿过激光振荡器/增益介质，可以生成白光输出。由于每个输出分量都是激光束输出，因此组合的输出是具有高强度和窄光束性质的光(例如，黄色、白色等)，并且因此提供了适用于汽车应用的简单且紧凑的光源。激光光源装置可以用于制造输出黄色或白色激光(或某种其它颜色)的汽车光模块。该模块可以作为独立的光源模块构建，或直接并入到照明组件中，并且可以用于汽车转向信号灯和地面照明灯、射灯、徽标投影灯、汽车内部照明、外部装饰照明、雾灯、前照灯、尾灯和日间行车灯。
在整个说明书和随后的权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”和“包含”以及其变体将被理解为暗示包含所述整数或整数的组，但不排除任何其它整数或整数的组。
在本说明书中对任何现有技术的引用不是，也不应被视为对这种现有技术形成公知常识的一部分的任何形式的暗示的承认。
本领域技术人员将认识到的是，本公开在其使用中不限于所描述的一个或多个特定应用。关于本文描述或描绘的特定元件和/或特征，本公开内容也不限于其优选实施例。将认识到的是，本公开不限于所公开的一个或多个实施例，而是能够在不背离如所附权利要求所阐述和限定的范围的情况下进行多种重新布置、修改和替换。
请注意，以下权利要求仅是临时权利要求，并且被提供作为可能的权利要求的示例，并且不旨在限制基于本申请的任何未来专利申请中所要求保护的范围。可以在以后的示例权利要求中添加整数或从其中删除整数，以便进一步定义或重新定义范围。
参考标志
1 激光光源装置
2 激光二极管
3 印刷电路板组件(PCBA)
4 激光振荡器、微结构化玻璃块
5 光学对准组件
6 光导组件
7 外壳
21 光束
22 光轴
23 准直的激光二极管光束，输入蓝色激光二极管光束
24 焦点
25 单个输出光束
41 输入表面
42输出界面，输出表面
43 波导
44 波导
45 间距
46 壁厚度，直径
47 中心线
48 圆柱形元件
49 节距圆
51 激光二极管外壳
52 非圆柱形透镜，快速轴准直
53 非圆柱形透镜，慢速轴准直
54 非圆柱形透镜，慢速轴准直
55 非圆柱形透镜
56 输入激光二极管(非球面)透镜
57 近侧支撑件
58 远侧支撑件
60 光导管
61 非球面透镜，输出光束非球面透镜
62 输出镜头，盖
71 支撑表面
72 正面
73 背面
201 从激光二极管2到第一非圆柱形透镜52的距离
202 从激光二极管2到第二非圆柱形透镜54的距离
203 从第二非圆柱形透镜54到输入激光二极管透镜56的距离
204 从输入激光二极管透镜56到输入表面41的距离
205 微结构化玻璃块4的长度
206 从输出表面42到输出光束透镜61的距离206
207 从激光二极管2到输出光束透镜61的长度
400 能级图
404 红光发射
405 绿光发射
406 红色/红外发射
407 蓝色发射
541 输出涂层
542 输入涂层
553 频带
555 透射峰
556 透射峰
557 透射峰

Claims (15)

1.一种激光光源装置(1)，包括：
激光二极管(2)；
第一光学组件，包括一个或多个透镜(52，53，54，55)，用于从激光二极管(2)发射的光生成准直的激光束(23)；
掺杂的微结构化玻璃块(4)，被配置为当由准直的激光束(23)泵浦时生成至少第一波长和第二波长的激光发射(404，405，406，407)；
输入光束透镜(56)，用于将准直的激光束(23)聚焦到微结构化玻璃块(4)的输入表面(41)上；
光学对准组件(5)，包括：
激光二极管外壳(51)，用于安装和对准激光二极管(2)和第一光学组件；以及
微结构化玻璃块安装件(57，58)，被配置为安装和对准输入光束透镜(56)和微结构化玻璃块(4)；
输出光导组件，包括至少一个透镜(61)，用于将来自微结构化玻璃块(4)的输出表面(42)的输出光准直成输出光束(25)；以及
外壳(7)，用于容纳和支撑光学对准组件(5)和输出光导组件，
其中
激光二极管外壳(51)被配置为消散来自激光二极管(2)的热量并且由热稳定且具有高导热率的材料构成，以将激光二极管的输出维持在预定的可接受的输出范围内；以及
微结构化玻璃块(4)包括至少一个微结构化波导(43)，微结构化波导(43)在由输入光束泵浦时生成至少第一波长和第二波长的窄带激光发射(404，405，406，407)。
2.如权利要求1所述的装置，其中激光二极管外壳(51)由导热率大于或等于180W/(mK)且线性热膨胀系数小于2x10-5m/(mK)的材料制成。
3.如权利要求2所述的装置，其中激光二极管外壳(51)由铝制成。
4.如权利要求1、2或3所述的装置，其中激光二极管(2)是蓝光激光二极管，其发射波长在400至460nm范围内的光，并且所述至少第一波长和第二波长包括在495-570nm范围内的绿色波长和在620-700nm范围内的红色波长。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述蓝光激光二极管至少在442nm处发射，并且所述第一波长在625nm至645nm的范围内，并且所述第二波长在520nm至540nm的范围内。
6.如权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中掺杂的微结构化玻璃块(4)包括在输入表面(41)上的至少第一涂层(542)和在输出表面(42)上的至少第二涂层(541)，以及至少一个微结构化波导(43)。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述第一波长和所述第二波长表示由于掺杂的微结构化玻璃块(4)中的激发电子的衰减而引起的两个不同的受激发射，所述第一波长具有比所述第二波长更大的发射效率，并且第一涂层(542)和第二涂层(541)被配置为在掺杂的微结构化玻璃块(4)内相对于第一波长增加第二波长的反射效率。
8.如权利要求6所述的装置，其中每个微结构化波导(43)包括环形圆柱体，通过选择圆柱体的长度、内部圆柱体直径和/或圆柱体壁厚(46)来控制激光器发射的效率。
9.如权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中所述微结构化波导的直径在10μm至60μm的范围内。
10.如权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中第一光学组件包括用于沿着快速准直轴准直来自激光二极管(2)的发射光的第一非球面透镜(52)，以及用于沿着慢速准直轴准直来自激光二极管(2)的发射光的第二非球面透镜(53，54)。
11.如权利要求10所述的装置，其中从激光二极管(2)到第二非球面透镜(53，54)的距离(202)是从激光二极管(2)到第一非球面透镜(52)的距离(201)的4倍。
12.如权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中第一光学组件包括复合透镜(55)，复合透镜(55)包括用于沿着快速准直轴准直来自激光二极管(2)的发射光的近侧透镜表面，以及用于沿着慢速准直轴准直来自激光二极管(2)的发射光的远侧透镜表面。
13.如权利要求12所述的装置，其中选择所述复合透镜的长度，使得当安装在所述激光二极管外壳中时，从所述激光二极管到所述远侧透镜表面的距离是从所述激光二极管到所述近侧透镜表面的距离的4倍。
14.如权利要求1至3中的任一项所述的装置，还包括印刷电路板组件(PCBA)(3)和用于对安装在外壳(7)中的激光二极管(2)供电和控制的电子电路。
15.一种汽车照明模块，包括如权利要求1至14中的任一项所述的激光光源装置(1)。
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