CN113193479A - 一种塔式结构激光源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种塔式结构激光源，包括塔型基座、发光模块、聚集透镜和输出光纤，塔型基座的塔层包括共轴线设置的顶部塔层和底部塔层，底部塔层和顶部塔层的侧面均环设有多个安装平台，顶部塔层的横截面积小于底部塔层的横截面积，每一安装平台上均设有发光模块，聚焦透镜位于所有发光模块的出光方向，从而使各发光模块发出的激光被聚焦透镜聚焦于输出光纤。通过设置具有多层塔层的塔型基座，并使每一塔层上均环设有多个发光模块，从而所有发光模块发出的光可以组成多个同心光圈，聚焦透镜聚焦所有光圈使之被聚焦为与输出光纤孔径相适应的圆形光斑，从而充分利用输出光纤的孔径且确保输出光纤中能量均匀。

Description

一种塔式结构激光源

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种塔式结构激光源。

背景技术

激光器是一种能够用于发射激光的装置，通过设置在其中的激光芯片产生激光，但是单个激光芯片功率有限，产生的激光亮度不能满足实际要求，所以需要多个半导体激光单管进行叠加，增加输出激光的亮度。此外，在一些特殊的应用领域，例如激光照明，需要输出光斑具有较好的数值孔径分布均匀性。

而现有的激光器中，多个激光芯片输出的多束激光经聚焦合束后对应的多个光斑的分布区域呈矩形，如图6所示，这种矩形分布的光斑的横截面积小于输出光纤的孔径内径，从而不能充分输出光纤的大数值孔径(图6中，圆形虚线圈为输出光纤的内径圆，该虚线圈中的矩形阴影为光斑的横截面积，虚线圈中的空白区域即为输出光纤的大数值孔径)，不仅造成光纤的数值孔径的浪费，并且由于虚线圈中的空白区域中没有耦合光从而造成光斑在输出光纤中能量分布不均匀。

发明内容

发明实施例的目的是提供一种塔式结构激光源，能够使射入输出光纤的光斑能量分布均匀。

发明提供一种塔式结构激光源，包括塔型基座、若干发光模块、聚集透镜和输出光纤，所述塔型基座的塔层至少包括共轴线设置的顶部塔层和底部塔层，每一所述塔层的侧面均环设有多个安装平台，所述顶部塔层的横截面积小于所述底部塔层的横截面积，每一所述安装平台上均至少设有一所述发光模块，所述顶部塔层朝向所述聚焦透镜设置，且所述聚焦透镜位于所有发光模块的出光方向，各发光模块发出的激光被所述聚焦透镜聚焦于所述输出光纤。

进一步地，所述底部塔层与顶部塔层之间还设有一个或者多个中间塔层，所有所述中间塔层的侧面亦均环设有多个安装平台，每一所述安装平台上均至少设有一所述发光模块，且距离所述聚焦透镜越远的塔层的横截面积越大。

进一步地，每一所述塔层的安装平台均均匀的分布于对应的侧面，所述顶部塔层的侧面有N个安装平台，与所述顶部塔层连接的所述底部塔层或者中间塔层的侧面有M个安装平台，M、N均为大于2的整数，且M＞N。

进一步地，距离所述聚焦透镜越远的塔层上的安装平台数量越多，且任意两个所述发光模块发出的光均相互平行。

进一步地，所有塔层的能量输出密度相同，每一塔层中发光模块的数量等于该塔层中安装平台的数量，每一塔层上的多个发光模块在对应的侧面上环设成圈形，且

其中，R为具有M个安装平台的塔层上发光模块与对应圈形的圈心之间的距离，r为顶部塔层上发光模块与对应圈形的圈心之间的距离，a为确保M为大于N的整数的调节量。

进一步地，所述顶部塔层顶部朝向所述聚焦透镜设有TO-CAN封装的发光单元，所述发光单元的出射光射向所述聚焦透镜的中心。

进一步地，同一塔层中相邻的两个所述安装平台直接相连，从而使每一所述塔层的侧面为多个安装平台首尾相连组成的多边形结构，所有塔层的侧面均为正多边形结构，安装于安装平台上的发光模块相对该安装平台表面的中轴线对称设置或者位于该安装平台的中轴线上。

进一步地，每一所述塔层与其他塔层的连接处均设有热沉，每一所述发光模块均包括激光芯片、贴设于所述激光芯片出光面的快轴准直器和位于所述快轴准直器出光方向的慢轴准直器，所述激光芯片固定于对应的热沉，所述慢轴准直器的出射光射向所述聚焦透镜。

进一步地，在沿所述轴线方向的投影中，靠近所述聚焦透镜的塔层上的发光模块的投影均位于远离所述聚焦透镜的塔层的投影中。

进一步地，所述塔型基座内部设有供冷凝液流动的冷凝通路，所述冷凝通路的入口和出口均位于所述塔型基座的底部。

发明提供的塔式结构激光源具有以下有益效果：通过设置具有多层塔层的塔型基座，并使每一塔层上均环设有多个发光模块，从而所有发光模块发出的光可以组成多个同心光圈，且所述聚焦透镜聚焦所有光圈使之被聚焦为与输出光纤孔径相适应的圆形光斑，从而充分利用输出光纤的孔径且确保输出光纤中能量均匀，提高输出激光质量。

附图说明

图1为发明所述的一种塔式结构激光源的立体图；

图2为图1的主视图；

图3为图2在BX-BX方向的视角图；

图4为图2在BY-BY方向的剖视图；

图5为塔型基座中多个塔层出射的同心光圈示意图；

图6为现有的激光光斑与输出光纤的适配图；

图中：

1、塔型基座；11、塔层；111、顶部塔层；112、底部塔层；113、中间侧层；

12、安装平台；13、热沉；14、冷凝通路；

2、聚集透镜；

3、输出光纤；

4、发光模块；41、激光芯片；42、快轴准直器；43、慢轴准直器；

5、发光单元。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对发明作进一步地描述。

请参照图1至图4，本发明提供的一种塔式结构激光源包括塔型基座1、若干发光模块4、聚集透镜2和输出光纤3。

请参照图1至图3，所述塔型基座1的形状类似于宝塔形，具有横截面各不相同且相互堆叠设置的多个塔层11，所有塔层11均共轴线设置，位于顶部的顶部塔层111的横截面积最小，且所述顶部塔层111朝向聚焦透镜2，在沿所述轴线方向上，离所述聚焦透镜2越远的塔层11的横截面积越大。每一塔层11的侧面均环设有多个安装平台12，所述安装平台12用于安装发光模块4，且每一所述安装平台12上安装有至少一所述发光模块4，从而每一所述塔层11的侧面均环设有若干所述发光模块4，于是，同一塔层11上的所有发光模块4的出射光可环成一个光圈，不同塔层11上的发光模块4的出射光共同构成同心的多个光圈(如图5所示)，当相邻的两塔层11之间的落差越小，且每一塔层11上的发光模块4数量越多时，所述的多个同心光圈则越趋近于一个实心光斑，所述的多个同心光圈射入所述聚焦透镜2，被所述聚焦透镜2聚焦，然后该聚焦光从所述聚焦透镜2的出光面射出进入输出光纤3，由于入射聚焦透镜2的光为多个同心的光圈，从而使被聚焦后的光的光斑为圆形，通过调整所述输出光纤3与所述聚焦透镜2之间的距离，可以使射入所述输出光纤3的光斑与输出光纤3的孔径相适应，以充分利用输出光纤3的孔径且确保输出光纤3中能量均匀。设置多层塔层11且在每一塔层11上环设若干发光模块4的目的之一是，增加汇聚于输出光纤3的光斑的能量，发光模块4的数量越多，汇聚于输出光纤3的光斑的能量越大，激光器的输出功率越大。

具体地，所述塔型基座1其中的一塔层11为具有底部塔层112，所述底部塔层112相对所述顶部塔层111更远离所述聚焦透镜2，所述顶部塔层111的横截面积小于所述底部塔层112。同一塔层11中相邻的两个两所述安装平台12共棱边，即相邻的两个所述安装平台12直接相连，使每一所述塔层11的侧面为多个安装平台12首尾相连组成的多边形结构，本实施例中所有塔层11的侧面均为正多边形结构，若每一安装平台12上安装有多个发光模块4，则安装于同一安装平台12上的多个发光模块4相对该安装平台12表面的中轴线对称设置；若每一安装平台12上仅安装有一个发光模块4，则安装于安装平台12上的发光模块4位于该安装平台12的中轴线上。本实施例中远离所述聚焦透镜2的塔层11侧面上的安装平台12的数量多于靠近所述聚焦透镜2的塔层11侧面上的安装平台12的数量，即距离所述聚焦透镜2越远的塔层11上的安装平台12数量越多，则该塔层11的侧面越接近于圆，从而该塔层11上的所有所述发光模块4发出的光组成的光圈越趋近于圆形。

若为了进一步提高激光源的发光功率，所述底部塔层112与顶部塔层111之间还设有一个或者多个中间塔层113，所有所述中间塔层113的侧面亦均环设有多个安装平台12，同样地，每一所述安装平台12上均至少设有一所述发光模块4。

本实施例中，所述顶部塔层111为长方体结构，具有4个安装平面12，所述发光单元5位于其朝向所述聚焦透镜2的顶面，所述发光单元5的出射光对准所述聚焦透镜2的中心。与所述顶部塔层111连接的中间塔层113(第二塔层)为正六方体结构，具有6个安装平面12；所述底部塔层112为正八边体结构，具有8个安装平台12，本实施例不排除第二塔层与顶部塔层111之间还设有结构为正五边体的第一塔层，亦不排除第二塔层与底部塔层112之间还设有结构为正七边体的第三塔层。

由于不同塔层11上的发光模块4的出射光构成了多个的同心光圈，通过使任意两个所述塔层11具有相同的能量输出密度，来确保每一光圈具有相同的能量，进而可确保入射输出光纤3的光斑各处能量均匀。定义每一塔层的能量密度ρ＝该层发光模块的总能量/该层发光模块的出射光所在光圈的圆周长，具体采取的方案为：每一安装平台12均只设有一发光模块4，且该发光模块4设于对应安装平台12安装面的中轴线上，即每一塔层11中发光模块4的数量等于该塔层11中安装平台12的数量，每一塔层11上的多个发光模块4在对应的侧面上环设成均匀的圈形，且

其中，M为除顶部塔层111之外的其它塔层11上的安装平台12数量，同时为除顶部塔层111之外的其它塔层11上的发光模块数量4，N为顶部塔层111上的安装平台12数量，同时为顶部塔层111上的发光模块4的数量，R为具有M个安装平台12的塔层上发光模块4与对应圈形的圈心之间的距离(即为该层发光模块4出射光相对其光圈的半径)，r为顶部塔层111上发光模块4与对应圈形的圈心之间的距离(即为该层发光模块出射光相对其光圈的半径)，a为确保M为大于N的整数的调节量。

为了避免因为所述输出光纤3与所述聚焦透镜2之间的距离与所述输出光纤3的孔径不适配而出现空心光斑，更是为了使入射输出光纤3的光斑中心的能量与光斑其他处的能量相同，所述顶部塔层111的顶部朝向所述聚焦透镜2设有TO-CAN封装的发光单元5，所述发光单元5的出射光射向所述聚焦透镜2的中心，且在穿过聚焦透镜2后位于进入输出光纤3的光斑的中心，发光单元5输出的能量密度等于任一所述的塔层11输出的能量密度。

由于不同塔层11具有不同的横截面积(相邻两塔层之间的安装平台的高度落差可配合聚焦透镜2的折射率进行设置，即，相邻两塔层11之间的横截面积之差可与聚焦透镜2的折射率相关)，且每一所述塔层11上的发光模块4的出射光均能在空间上构成圈形光圈，故设于所述塔型基座1的所有发光模块4的出射光以多个同心光圈的形式入射所述聚焦透镜2(如图5所示)，然后被所述聚焦透镜2聚焦，使上述所有的同心光圈聚拢汇聚成光斑。由于每一光圈具有相同的能量输出密度，在同一聚焦透镜2的汇聚作用下，所述光斑各处能量分布均匀。请参照图1至图3，每一所述塔层11与其他塔层11的连接处均设有热沉13，每一所述发光模块4均包括激光芯片41、贴设于所述激光芯片41出光方向的快轴准直器42和位于所述快轴准直器42出光方向的慢轴准直器43，所述激光芯片41固定于对应的热沉13，所述慢轴准直器43的出射光射向所述聚焦透镜2。

任意两个所述发光模块发出的光均相互平行，为了使每一所述发光模块4发出的激光不被其他发光模块4遮挡，在沿所述轴线方向的投影中，靠近所述聚焦透镜2的塔层11上的发光模块4的投影均位于远离所述聚焦透镜2的塔层的投影中，从而使远离所述聚焦透镜2的发光模块4发出的光均能越过靠近聚焦透镜2的对应发光模块4射入聚焦透镜2。

所述塔型基座1由铜制成，具有良好的导热性，且所述塔型基座1与所述热沉13一体成型，请参照图4，所述塔型基座1内部设有供冷凝液流动的冷凝通路14，所述冷凝通路14的入口和出口均位于所述塔型基座1的底部，通过冷凝液在所述冷凝通路14与外界冷源之间循环流动，来对所述塔型基座1进行散热，进而对各发光模块4进行散热。

本实施例中，所述冷凝通路包括四条水平水道和两条竖直水道，四条水平水道通过所述的两条竖直水道两两连通。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。以上所述仅为发明的较佳实施例，并不用以限制发明，凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种塔式结构激光源，其特征在于：包括塔型基座、若干发光模块、聚集透镜和输出光纤，所述塔型基座的塔层至少包括共轴线设置的顶部塔层和底部塔层，每一所述塔层的侧面均环设有多个安装平台，所述顶部塔层的横截面积小于所述底部塔层的横截面积，每一所述安装平台上均至少设有一所述发光模块，所述顶部塔层朝向所述聚焦透镜设置，且所述聚焦透镜位于所有发光模块的出光方向，各发光模块发出的激光被所述聚焦透镜聚焦于所述输出光纤。

2.如权利要求1所述的塔式结构激光源，其特征在于：所述底部塔层与顶部塔层之间还设有一个或者多个中间塔层，所有所述中间塔层的侧面亦均环设有多个安装平台，每一所述安装平台上均至少设有一所述发光模块，且距离所述聚焦透镜越远的塔层的横截面积越大。

3.如权利要求1或2所述的塔式结构激光源，其特征在于：每一所述塔层的安装平台均均匀的分布于对应的侧面，所述顶部塔层的侧面有N个安装平台，与所述顶部塔层连接的所述底部塔层或者中间塔层的侧面有M个安装平台，M、N均为大于2的整数，且M＞N。

4.如权利要求3所述的塔式结构激光源，其特征在于：距离所述聚焦透镜越远的塔层上的安装平台数量越多，且任意两个所述发光模块发出的光均相互平行。

5.如权利要求3所述的塔式结构激光源，其特征在于：所有塔层的能量输出密度相同，每一塔层中发光模块的数量等于该塔层中安装平台的数量，每一塔层上的多个发光模块在对应的侧面上环设成圈形，且

其中，R为具有M个安装平台的塔层上发光模块与对应圈形的圈心之间的距离，r为顶部塔层上发光模块与对应圈形的圈心之间的距离，a为确保M为大于N的整数的调节量。

6.如权利要求1所述的塔式结构激光源，其特征在于：所述顶部塔层顶部朝向所述聚焦透镜设有TO-CAN封装的发光单元，所述发光单元的出射光射向所述聚焦透镜的中心。

7.如权利要求1或2所述的塔式结构激光源，其特征在于：同一塔层中相邻的两个所述安装平台直接相连，从而使每一所述塔层的侧面为多个安装平台首尾相连组成的多边形结构，且所有塔层的侧面均为正多边形结构，安装于安装平台上的发光模块相对该安装平台表面的中轴线对称设置或者位于该安装平台的中轴线上。

8.如权利要求1或2所述的塔式结构激光源，其特征在于：每一所述塔层与其他塔层的连接处均设有热沉，每一所述发光模块均包括激光芯片、贴设于所述激光芯片出光面的快轴准直器和位于所述快轴准直器出光方向的慢轴准直器，所述激光芯片固定于对应的热沉，所述慢轴准直器的出射光射向所述聚焦透镜。

9.如权利要求8所述的塔式结构激光源，其特征在于：在沿所述轴线方向的投影中，靠近所述聚焦透镜的塔层上的发光模块的投影均位于远离所述聚焦透镜的塔层的投影中。

10.如权利要求1所述的塔式结构激光源，其特征在于：所述塔型基座内部设有供冷凝液流动的冷凝通路，所述冷凝通路的入口和出口均位于所述塔型基座的底部。

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