CN112698542B

CN112698542B - 一种激光光源

Info

Publication number: CN112698542B
Application number: CN201911009540.5A
Authority: CN
Inventors: 樱井努; 牛增强; 卢国杰; 陈国宁
Original assignee: United Winners Laser Co Ltd
Current assignee: United Winners Laser Co Ltd
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2039-10-23
Also published as: CN112698542A

Abstract

本发明公开了一种激光光源，包括散热体，以及设置在所述散热体上的激光模块，所述激光模块是将多个LD元件和与各LD元件相对的多个准直透镜在一个封装内进行矩阵排列，在以X轴、Y轴和Z轴相互正交的该矩阵中，将Z轴方向作为所述LD元件的SLOW轴，将Y轴方向作为所述LD元件的FAST轴，以配置所述激光模块，使相对于所述激光模块向Z轴方向射出的矩阵准直光束组沿X轴方向倾斜45°而层叠各反射镜的间隔，在得到Z轴方向近零间隙的Y轴方向的层叠光束组之后，通过聚光透镜将激光会聚到一点。本发明还具有通过增大调整用的光学部件的固定面积来大幅削减蠕变，以便能够容易地进行调整且能够耐受温度变动、恶劣环境的小型且高输出、高聚光等特点。

Description

一种激光光源

【技术领域】

本发明涉及激光加工领域，特别涉及一种用于进行激光投影仪、激光焊接等加工的激光光源。

【背景技术】

作为激光显示的三基色之一的蓝色激光一直是激光加工领域的关键技术。蓝色激光除了应用于激光显示外，还可以应用于激光焊接、激光切割、激光投影机、高密度光存储、数字视频技术和海洋资源探测，并在激光印刷、激光医学、生化技术等方面有着广泛的应用前景。

近年来，随着作为激光光源的半导体激光器的高性能化、长寿命化，以往的灯不断被取代。半导体激光器能够将亮度设为灯的10倍以上，能够进行光纤传输，因此针对投影仪光源用途，能够实现投影映射的进一步大型、高亮度化、高清化。另外，在激光加工用途中，已知若将蓝色半导体激光器作为光源，则铜、金的吸收将提高一个位数以上，因此焊接性提高。

然而，为了将各个单体激光束以高亮度、高输出功率射入纤细的光纤，需要如现有技术那样复杂的光学系统。另外，还必须使用大量的板状反射镜作为光学部件，而使用粘合剂固定后的板状反射镜会因温度、时间等因素而产生被称为蠕变的变形，因此存在光纤耦合部的光轴偏移而导致的输出功率降低的技术问题。作为其对策，优选采用高温烘烤处理的办法，但若进行烘烤处理，可能导致调整好的光轴出现混乱，且修正费时费力。特别是，如果为高输出功率，则器件更大更多，甚至可能无法修正，因此也多有不进行烘烤处理的商品，但是进入生产之后，则经常会出现故障。

另外，在矩阵配置仅具有数瓦输出的带准直透镜的LD时，例如，为了在效率50％下得到1KW ，需要500个4W的LD，因此体积会变得很大。进而还存在光束大幅扩散而使聚光透镜有效直径多、效率大幅降低等问题。

【发明内容】

综上所述，本发明主要的目的是为了本发明为了解决上述技术问题，目的在于提供一种简化光轴调整并大幅削减蠕变来防止光纤端面损伤，且容易调整且能够耐受温度变动、恶劣环境的小型且高输出、高聚光的激光光源。

为了解决所述技术问题，本发明提供一种激光光源，包括散热体，以及设置在所述散热体上的激光模块，将多个LD元件在封装内进行矩阵排列，进而通过准直透镜一体化，从而实现小型LD模块化。在使从该LD模块射出的矩阵准直光束组在层叠反射镜或阶梯状90度反射棱镜中在Z轴方向（LD的SLOW轴方向）上进行扫描最小化的方式压缩后，进一步使y轴方向（LD的FAST轴方向）在层叠反射镜中成为使其最小化的层叠光束，提高密度后进行聚光并入射到光纤。

相对于所述Y轴方向的层叠光束组，进一步通过层叠反射镜使各光束间的间隙最小化，得到在Z和Y方向均为近零间隙的光束组。

所述近零间隙的范围为0～2mm。

在所述激光模块的出射面上设置有平面透明板，在所述矩阵准直光束组的各单独光束的光轴上二维排列有凸透镜或柱面透镜，通过使所述凸透镜或柱面透镜在X和Y方向上移动，通过所述聚光透镜对一点进行聚光调整。

在所述激光模块的出射面上设置有阶梯状的光束组透射台，该阶梯状的光束组透射台与以矩阵方式排列的梯形棱镜的长底面相接触，每个梯形棱镜的高度被限定为使得光在梯形棱镜的45°边缘部被反射90°，并且各个光束彼此接触。

通过在所述激光模块的出射面与所述梯形棱镜之间插入凸透镜或柱面透镜来减小聚光光点。

所述梯形棱镜、所述凸透镜或所述柱面透镜组合为聚光位置调整单元。

此外，作为入射光纤的光轴调整方式，设置有以下两个单元。

双凸透镜或凸透镜型。

对于个别的准直光束，利用平凸型圆柱透镜或平凸透镜使聚光性提高，并且通过左右移动而将各光束调整为同一焦点。

螺旋棱镜型

相对于个别的准直光束，将反射45度的阶梯状棱镜调整为X、θ（仰角）、α（X、Y平面旋转）θ、α方向，将各光束调整为同一焦点。

采用所述技术方案，与现有技术相比，本发明所产生的有益效果在于：通过上述方法，能够提供一种通过简化光轴调整的同时，通过增大调整用的光学部件的固定面积来大幅削减蠕变（缓和位置偏移），以便能够容易地进行调整且能够耐受温度变动、恶劣环境的小型且高输出、高聚光的激光光源。

【附图说明】

图1是本发明的第1实施方式的激光光源的基本结构图的俯视图（a）和侧视图（b）；

图2是本发明第2实施方式所涉及的激光光源的基本结构图的俯视图（a）和侧视图（b）；

图3是本发明第3实施方式的激光光源的基本结构图的俯视图；

图4是利用单独反射镜的阶梯型镜筒；

图5是一维多重激光光束的剖视图；

图6是第5实施例的光路结构示意图。

【具体实施方式】

下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不会构成任何限制。下面结合附图对本发明的技术方案进行详细地描述：

【实施例1】

图1是根据第1实施方式的层叠型准直光束的激光光源的基本结构图，（a）是俯视图，（b）是侧视图。

图1所示的激光模块10是由在散热体11上沿X和Y方向二维排列的多个LD元件12 ，和以LD元件12的光轴13为光轴并在X轴和Y轴方向上二维排列的准直透镜组14构成。

在准直透镜组14上固定有平面透明板15 ，以各光轴13为光轴的长焦点的平凸透镜16或单平面柱面透镜17排列成二维矩阵，各透镜16 、17的平面侧与平面透明板15相接地配置。或者，以90°光轴旋转而配置的两个柱面透镜18代替透镜17而配置。通过这些透镜的光束19，20以各自的光束宽度d1 、d2 、d3相互接触的方式被X方向层叠型45°阶梯反射镜21反射45°，得到沿Z方向压缩的层叠光束22 。所述层叠光束22透过柱面透镜23，被聚光透镜24聚光后，入射到光纤25的端面26 。

【实施例2】

图2是第2实施方式的激光光源的基本结构图，（a）是俯视图，（b）是侧视图。

在图2所示的激光模块10的上表面安装有台阶状的光束组透射台50 ，在其上，以各梯形棱镜52的长底面与光束组透射台50以接触的方式固定，以各梯形棱镜52的45°边缘部53反射90°，进而以各自的光束宽度d1 、d2 、d3相互接触的方式决定各梯形棱镜52的高度。这样得到的层叠光束54与实施例1相同，在透过柱面透镜23后，被聚光透镜24聚光，并入射到光纤25的端面26 。

【实施例3】

图3是第3实施方式的激光光源的基本结构图的俯视图。通过将光束19或者光束51偏转90°以后得到层叠光束22，54，生成的部分的侧视图与图1 、图2相同，因此省略。

与图1 、图2的俯视图的不同点是各层叠光束22，54间的Y轴方向的间隙G比各层叠光束22，54的宽度D1 、D2大时、即G ≥ D。

在该情况下，通过将Y轴方向45°层叠反射镜60配置在D1=D2的位置，能够消除间隙G 。由于能够减小整体光束61的宽度，因此能够使聚光透镜小型化。另外，整体光束61在透过柱面透镜23后，被聚光透镜24聚光，入射到光纤25的端面26 。

图4是Y轴方向45°层叠反射镜60的另一实施例。在锯齿状的45°面611上，90度反射镜62配置固定在D1 ＝ D2的位置，得到与图3相同的整体层叠光束61 。

【实施例4】

图5（a）～（h）是表示在上述图1 ～图4中，光纤25在有效直径70内进行传输的方法和聚光光点71的位置、形状变化图。

图5的（a）～（c）示出了图1的柱面透镜17在Y方向上移动而将聚光光点 71调整到光纤25中心时的变化。另外，通过实验来决定柱面透镜17的焦距，使光点尺寸71最小。图5（a）是调整前的焦点位置偏移的状态。当追加在Y轴方向上具有凸曲面的柱面透镜17时，Y方向的光点尺寸72如图5（b）所示那样变小。图5（b）是进一步使柱面透镜17沿Y轴方向移动并调整为有效直径70的中心时的图。该调整方法的优点是聚光性好，调节简单。

图5（d）～（f）表示将图1中的平凸透镜16向x 、y轴方向移动而将聚光光点 71调整为光纤25的中心时的变化。另外，通过实验来决定平凸透镜16的焦点距离，使聚光光点71尺寸最小。图5（d）是调整前的焦点位置偏移的状态。当追加平凸透镜16时，光点74如图5（e）所示在y方向上变小，相反，z轴方向变大。这是因为LD元件12的SLOW（慢轴）方向、FAST（快轴）方向的扩展角不同。图5（f）是进一步使平凸透镜16沿x 、y轴方向移动并调整为有效直径70的中心时的图。该调整方法的优点是能够仅通过平凸透镜16进行光轴调整。

图5（g）表示图2的梯形棱镜52的调整之前，（g）表示调整后的光点 75 。

通过棱镜52的X 、θ（仰角）、α（X、 Y平面旋转）的3轴调整，光轴调整到有效直径70的中心。虽然光点71尺寸没有变化，但具有仅通过调整3轴梯形棱镜52就可以对聚光位置进行调整的优点。

此外，为了提高向有效直径25的聚光性，也可以追加柱面透镜23 、55 、56 。

另外，为了提高聚光性或校正各准直光51的偏差，也可以组合图1 、图2的各调整方法，当然也可以组合柱面透镜17 或平凸透镜16 。

【实施例5】

图6是表示第5实施例的光路结构示意图。

从LD元件12射出的激光13通过准直透镜14准直，经过透明体101（0.5度WEDGH板）的位置调整、或平行通过透明板102的角度调整，以入射到光纤26的方式进行光轴调整。光轴调整后的Z轴方向的光束103在SLOW方向层叠镜组21中在y轴方向上反射45°而成为层叠光束104 ，并被柱面镜105在FAST方向上聚光，在FAST方向层叠镜组106中沿y轴方向反射约45度，得到在LD元件12的FAST轴、SLOW轴方向上层叠的高密度的层叠光束。最后，利用柱面透镜23，在slow方向聚光后，通过光透镜24聚光并入射到光纤25。

层叠光束的宽度104为4 mm，其被条状圆柱透镜105反射，因此，聚光于fast方向的宽度为3mm ，因此层叠镜组106的间距为3mm。由于两者相同，因此全部被反射，所以没有损失部107 。进而FAST方向光点尺寸也变小。通过圆柱透镜23 ，SLOW方向的光点尺寸也相应变小，但是，y方向的各光束108 、109 、110透过柱面透镜23，由于与光轴错开，因此相对于进入光纤26的聚光点111分散，但是，通过将Slow方向层叠镜组的反射角度调整为45 ± α，聚光点111能够聚光。并能够大幅削减光轴调整的时间。

尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但是本发明的范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，以上各构件可用所属技术领域人员了解的相似或等同元件来替换。

Claims

1.一种激光光源，其特征在于，包括散热体，以及设置在所述散热体上的激光模块，所述激光模块是将多个LD元件和与各LD元件相对的多个准直透镜在一个封装内进行矩阵排列，在以X轴、Y轴和Z轴相互正交的矩阵中，将Z轴方向作为所述LD元件的SLOW轴，将Y轴方向作为所述LD元件的FAST轴，以配置所述激光模块，使相对于所述激光模块向Z轴方向射出的矩阵准直光束组沿X轴方向倾斜45°而层叠各反射镜的间隔，在得到Z轴方向近零间隙的Y轴方向的层叠光束组之后，通过聚光透镜将光束汇聚到一点；相对于所述Y轴方向的层叠光束组，进一步通过层叠反射镜使各光束间的间隙最小化，得到在Z轴和Y轴方向均为近零间隙的光束组；所述近零间隙的范围为0～2mm；对于个别的准直光束，利用平凸型圆柱透镜或平凸透镜使聚光性提高，并且通过左右移动而将各光束调整为同一焦点；通过增大调整用的光学部件的固定面积来削减蠕变。

2.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，在所述激光模块的出射面上设置有平面透明板，在所述矩阵准直光束组的各单独光束的光轴上二维排列有凸透镜或柱面透镜，通过使所述凸透镜或柱面透镜在X轴和Y轴方向上移动，通过所述聚光透镜对一点进行聚光调整。

3.根据权利要求1～2中任一项所述的激光光源，其特征在于，在所述激光模块的出射面上设置有阶梯状的光束组透射台，该阶梯状的光束组透射台与以矩阵方式排列的梯形棱镜的长底面相接触，每个梯形棱镜的高度被限定为使得光在梯形棱镜的45°边缘部被反射90°，并且各个光束彼此接触。

4.根据权利要求3所述的激光光源，其特征在于，通过在所述激光模块的出射面与所述梯形棱镜之间插入凸透镜或柱面透镜来减小聚光光点。

5.根据权利要求4所述的激光光源，其特征在于，所述梯形棱镜、所述凸透镜或所述柱面透镜组合成为聚光位置调整单元。

6.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述FAST方向上设有防止干涉用的长方形柱面透镜。

7.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述SLOW方向上设有具有曲率的柱面透镜和校正功能的层叠反射镜。