CN113314953B - 一种自聚焦的半导体激光光源系统 - Google Patents

一种自聚焦的半导体激光光源系统 Download PDF

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Abstract

本发明技术方案提供了一种自聚焦的半导体激光光源系统，根据光斑孔径角获取激光二极管在球冠内表面的最外层位置并放置。获取另一激光二极管在球冠内表面的最内层位置并放置。根据最外层位置和最内层位置获取待排布激光二极管在球冠内表面内的层数。根据各层的圆周，获取待排布激光二极管在每层的排布个数。根据最外层、最内层位置、层数及各层可排布个数将待排布激光二极管排布于球冠的内承载面上，使得若干激光二极管发出的光能够聚焦后经光积分器出口发出满足目标孔径角和光斑尺寸且照度均匀的光束。

Description

一种自聚焦的半导体激光光源系统
技术领域
本发明涉及激光聚焦领域，尤其涉及一种自聚焦的半导体激光光源系统。
背景技术
激光光源，是利用激发态粒子在受激辐射作用下发光的电光源，是一种相干光源。自从1960年美国的T.H.梅曼制成红宝石激光器以来，各类激光光源的品种已达数百种，输出波长范围从短波紫外直到远红外。
激光光源可按其工作物质(也称激活物质)分为固体激光源(晶体和钕玻璃)、气体激光源(包括原子、离子、分子、准分子)、液体激光源(包括有机染料、无机液体、螯合物)和半导体激光源4种类型。
激光光源具有下列特点：单色性好、方向性强、光亮度高。激光光源的主要优势就是亮度高，色彩好，能耗低，寿命长且体积小。
在各类光学仪器中，为了更好地利用激光二极管发出的光，往往会将多个半导体激光管集成在一块平板上，形成一个激光光源板，然后采用多个透镜、反射镜来实现系统需要的光输出的光斑尺寸及角度。例如图1所示为8个激光二极管集成在一个金属平板上，形成一个激光光源板。
图2中，LS为多个半导体发光二极管集成在一个平板上而形成的激光光源板；L1为第一透镜组，用来会聚从激光光源板中发出的准直激光束；L2为第二透镜组，用来将由L1会聚的激光光束重新准直，得到一个准直的光斑，通常情况下，这个准直光斑的尺寸比激光光源板LS发出的准直光的光斑尺寸小；L3为第三透镜组，用来将从L2发出的准直光束会聚成一个有一定孔径角、一定光斑尺寸的光束；L4为一个光积分器，用来导入从L3发出的具有一定孔径角、一定光斑尺寸的光束，通过在L4中的多次反射，而在L4的出口端形成一个照度均匀的光学面。从L4出口端出射的光束之后的光路则可以根据各类仪器的不同要求进行设计。
由于激光光源板的尺寸通常较大，光源板发出的光直接通过图2所示的光路产生的光斑较大而不能被很好的利用，从而损失了光能，所以往往又会采用图3所示的光路来压缩光斑尺寸，从而提高光能的利用。
与图2相比，图3中增加了反射镜M1，M2，M3，M4，M5，M6。激光光源板发出的光束经反射镜的折反后，光斑尺寸被压缩。然后再经过透镜组L1，L2，L3后，形成系统所需要的具有一定孔径角、一定光斑尺寸的光束。继而通过在L4中的多次反射，而在L4的出口端形成一个照度均匀的光学面。从L4出口端出射的光束之后的光路则可以根据各类仪器的不同要求进行设计。
从而可知在现有技术中，为了能够利用激光发光二极管的光能，往往要利用多块反射镜、多个透镜组才能产生一个后续光学系统所需要的有一定孔径角、一定光斑尺寸的光束。这样的光路系统不仅要采用多个反射镜和透镜、结构复杂，尺寸较大，而且当后续光学系统的要求改变，需要不同的孔径角、不同尺寸的光斑时，就必须要重新设计整个类似图2或图3这样的激光光源系统。
所以如何提供一种无需反射镜和透镜且当孔径角和/或光斑尺寸改变时，能够迅速调整的激光光源系统成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种自聚焦的半导体激光光源系统，用以解决现有技术中需要根据不同光学系统的照明需求重新设计激光光源的排布导致的作业周期长、成本高的问题，还用以简化现有技术中需要多块反射镜、若干透镜组组成的激光光源体积大、结构复杂的问题。
为了实现上述目的，本发明技术方案提供了一种自聚焦的半导体激光光源系统，根据光斑孔径角获取激光二极管在球冠内表面的最外层位置，并放置此激光二极管；获取另一激光二极管在球冠内表面的最内层位置，并放置此激光二极管；根据最外层位置和最内层位置获取待排布激光二极管在球冠内表面内的最大层数；由于各层的圆周不同，分别获取待排布激光二极管在每层的最大排布个数；根据最外层位置、最内层位置、最大层数及待排布激光二极管在各层的最大排布个数将待排布激光二极管排布于球冠的内承载面上，使得若干激光二极管聚焦后的光能够经光积分器出口发出满足目标孔径角和光斑尺寸且照度均匀的光束；其中，排布于内承载面上各激光二极管均以球冠的顶点为中心排布，且顶点上不设激光二极管，光积分器安装于顶点与球心的连线上。
作为上述技术方案的优选，较佳的，最外侧位置h1：
Figure BDA0003075425010000031
其中，R为球冠半径，u为光斑孔径角，h1为放置于球冠内表面最外层位置的激光二极管与球冠的对称轴之间的距离。
作为上述技术方案的优选，较佳的，最内层位置h0：
Figure BDA0003075425010000032
其中，d为待排布的激光二极管的直径，e为两个相邻激光二极管的间隔，h0为放置于球冠内表面最内层位置的激光二极管与球冠的对称轴之间的距离。
作为上述技术方案的优选，较佳的，最大层数N为：
Figure BDA0003075425010000033
作为上述技术方案的优选，较佳的，获取激光二极管在不同圆周上的最大排布个数包括：获取每层激光二极管与球冠的对称轴之间的不同距离h；根据h结合待排布的激光二极管的直径和间隔获取各层可排布的最大激光二极管个数。
作为上述技术方案的优选，较佳的，当两个不同球冠发出不同光波长时，在光波相交处增设分色镀膜片，使得两个不同球冠的球心经该分色镀膜片透射或反射后重合，进而使得所述两个不同球冠发出的具有不同光波长的两束激光汇聚在两个球心的重合处后，进入放置在重合处或重合处附近的光积分器内，经所述光积分器的多次反射后在其出口发出符合需求的光斑。
作为上述技术方案的优选，较佳的，分色镀膜片使得第一球冠发出的光被透射或反射，第二球冠上的光被反射或透射。
作为上述技术方案的优选，较佳的，当两个不同球冠发出的光具有不同偏振态时，在光相交处增设偏振器件，所述偏振器件使得两个不同球冠上激光二极管发出光被透射或反射，被透射或反射后的光重合于两个不同球冠球心的重合处，能够经放置于重合处或重合处附近的光积分器发出符合需求的光斑。
作为上述技术方案的优选，较佳的，偏振器件使得第一球冠发出的光被透射或反射，第二球冠上的光被反射或透射。
本发明技术方案提供了一种自聚焦的半导体激光光源系统，根据光斑孔径角获取激光二极管在球冠内表面的最外层位置并放置。获取另一激光二极管在球冠内表面的最内层位置并放置。根据最外层位置和最内层位置获取待排布激光二极管在球冠内表面内的最大层数。根据各层数的不同圆周，获取待排布激光二极管在各层的最大排布个数。根据所述最外层位置、最内层位置、最大层数及待排布激光二极管在各层的最大排布个数将待排布激光二极管排布于球冠的内承载面上，使得若干激光二极管聚焦后能够经光积分器出口发出满足目标孔径角和光斑尺寸且照度均匀的光束。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明涉及现有技术中激光光源板的外观示意图。
图2为本发明涉及现有技术中激光光源板和多个透镜组成的激光光源系统的结构示意图。
图3为本发明涉及现有技术中激光光源板和多个反射镜及多个透镜组成的激光光源系统的结构示意图。
图4为本发明提供的一种自聚焦的激光光源系统的光源排布过程流程示意图。
图5为本发明提供的一种自聚焦的激光光源系统的激光二极管在球冠上的排布示意图一。
图6为本发明提供的一种自聚焦的激光光源系统的激光二极管在球冠上的排布示意图二。
图7为本发明提供的一种自聚焦的激光光源系统的激光二极管集成在有一定半径的球冠上的主视图。
图8为图7的侧视图。
图9和图10为激光光源模块的激光二级管发出的光指向球冠的球心时的示意图。
图11为长方体光积分器示意图。
图12为楔形光积分器的示意图。
图13为合成不同波长的激光光源模块的结构示意图。
图14为合成不同偏振态的激光光源模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图4为本发明实施例提供的流程示意图并结合图5至图8的具体实施例对本发明技术方案进行说明，如图4所示：
步骤101、计算放置于球冠内表面最外层的激光二极管位置。
具体的，根据光斑孔径角u和球冠半径R计算最外层位置。其中，最外层位置h1还表示排布于球冠最外层的激光二极管的中心与球冠的对称轴之间的距离。具体的，光斑孔径角u和最外层位置h1的相对位置如图5所示：
Figure BDA0003075425010000051
步骤102、计算放置于球冠内表面最内层的激光二极管位置。
Figure BDA0003075425010000052
其中，e为两个相邻激光二极管外缘之间的间隔，d为待排布的激光二极管的直径；e是预设值，至少保证相邻的激光二极管不会碰撞到一起。进一步的，最内层位置h0还表示排布于球冠最内层的激光二极管的中心与球冠的对称轴之间的距离。其中，最内层位置h0的相对位置如图5、图7和图8所示。其中，图5为沿着图10中A-A’切开的球冠截面示意图。
步骤103、计算当前球冠的内表面能够排布激光二极管的最大层数N。
Figure BDA0003075425010000053
如图7和图8所示的具体实施例，激光二极管分4层排布。
步骤104、根据各层不同的半径计算每层可排布的最大激光二极管数量n。
n＝(2×π×h)/(d+e)
具体的，h表示每层激光二极管与球冠对称轴之间不同的距离，例如：最外层位置与对称轴之间的距离为h1，最内层位置与对称轴之间的距离为h0，最多排列N层，以此计算后得到每层可排布的最大激光二极管个数，具体排列后效果如图7所示，每层激光二极管数量不同。
步骤105、根据上述计算结果，将激光二极管排布于球冠的内承载面上。
排布于内承载面上各激光二极管均以球冠顶点为中心呈环形排布，且球冠顶点不排布激光二极管，排布完成后各激光二极管的发光方向指向球心。
步骤106、放置一与球冠对称轴同轴的光积分器。
如图9、图10所示，由于激光二极管的发光方向指向球心，光积分器与球冠对称轴同轴，光积分器的入口与球心重合或者在球心附近，用来导入发光二极管发出的激光。激光在光积分器的出口形成一个照度均匀、满足孔径角和光斑尺寸大小的光束。
进一步的在步骤106之后，参考图13所示，若当前激光光源是通过两个球冠发出且两个球冠发出的光波波长不同时，用一个分色镀膜片使得第一个球冠上二极管发出的激光透射或者反射，使得第二个球冠上二极管发出的激光反射或者透射。调整两个球冠的位置，使得经过分色镀膜片后两个球冠的球心重合，经过分色镀膜片后的光会聚在第一球冠的球心与第二球冠的球心相交处，在相交处或附近放置一个光积分器，将两个激光光源模块发出的不同波长激光进行合成，使得光经光积分器的出口得到一个有一定孔径角，一定光斑尺寸的光斑。
参考图14所示，若当前激光光源是通过两个球冠发出且两个球冠发出的光具有不同偏振态时，在激光相交处增设一偏振器件，使得第一球冠发出的光被透射，第二球冠发出的光被反射，或者，第一球冠发出的光被反射，第二球冠发出的光被透射。调整这两个球冠的位置，使得两束激光经过偏振器件后在两个球冠的球心相交处重合，在球心相交处或附近放置一光积分器，使得光经光积分器的出口得到一个有一定孔径角，一定光斑尺寸的光斑。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种自聚焦的半导体激光光源系统，其特征在于，包括：
根据光斑孔径角获取激光二极管在球冠内表面的最外层位置，并放置此激光二极管；
获取另一激光二极管在球冠内表面的最内层位置，并放置此另一激光二极管；
根据所述最外层位置和所述最内层位置获取待排布激光二极管在所述球冠内表面内的最大层数；
由于各层的圆周不同，分别获取所述待排布激光二极管在每层的最大排布个数；
根据所述最外层位置、最内层位置、最大层数及待排布激光二极管在各层的最大排布个数将所述待排布激光二极管排布于所述球冠的内承载面上，使得若干激光二极管聚焦后的光能够经光积分器出口发出满足目标孔径角和光斑尺寸且照度均匀的光束；
其中，排布于所述内承载面上各激光二极管均以所述球冠的顶点为中心排布，且所述顶点上不设激光二极管，所述光积分器安装于顶点与球心的连线上。
2.根据权利要求1所述的自聚焦的半导体激光光源系统，其特征在于，所述最外层位置为h1：
Figure FDA0003640130310000011
其中，R为球冠半径，u为光斑孔径角，h1为放置于球冠内表面最外层位置的激光二极管与球冠的对称轴之间的距离。
3.根据权利要求1所述的自聚焦的半导体激光光源系统，其特征在于，所述最内层位置为h0：
Figure FDA0003640130310000012
其中，d为待排布的激光二极管的直径，e为两个相邻激光二极管的间隔e，h0为放置于球冠内表面最内层位置的激光二极管与球冠的对称轴之间的距离。
4.根据权利要求2或3所述的自聚焦的半导体激光光源系统，其特征在于，所述最大层数N为：
Figure FDA0003640130310000021
5.根据权利要求1所述的自聚焦的半导体激光光源系统，其特征在于，分别获取所述待排布激光二极管在每层的最大排布个数包括：
获取每层激光二极管与球冠的对称轴之间的不同距离h；
根据所述不同距离h结合待排布的激光二极管的直径和间隔获取各层可排布的最大激光二极管个数。
6.根据权利要求1所述的自聚焦的半导体激光光源系统，其特征在于，还包括，当两个不同球冠发出不同光波长时，在光波相交处增设分色镀膜片，使得所述两个不同球冠的球心经该分色镀膜片透射或反射后重合，进而使得所述两个不同球冠发出的具有不同光波长的两束激光汇聚在两个球心的重合处后，进入放置在重合处或重合处附近的光积分器内，经所述光积分器的多次反射后在其出口发出符合需求的光斑。
7.根据权利要求6所述的自聚焦的半导体激光光源系统，其特征在于，所述分色镀膜片使得第一球冠的光被透射或反射，第二球冠上的光被反射或透射。
8.根据权利要求1所述的自聚焦的半导体激光光源系统，其特征在于，当两个不同球冠发出的光具有不同偏振态时，在光相交处增设偏振器件，所述偏振器件使得两个不同球冠上激光二极管发出光被透射或反射，被透射或反射后的光重合于所述两个不同球冠球心的重合处，能够经放置于重合处或重合处附近的光积分器发出符合需求的光斑。
9.根据权利要求8所述的自聚焦的半导体激光光源系统，其特征在于，所述偏振器件使得第一球冠发出的光被透射或反射，第二球冠上的光被反射或透射。
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