CN219329483U - 一种基于vcsel激光二极管阵列的合束光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，至少包括VCSEL激光二极管阵列，其特征在于：所述VCSEL激光二极管阵列的前方依次安装有双凸透镜和复眼透镜，其中双凸透镜与VCSEL激光二极管阵列之间的距离可调，且VCSEL激光二极管阵列的发光中心与双凸透镜、复眼透镜的中心处于同一条水平线上，通过双凸透镜和复眼透镜对VCSEL激光二极管阵列发射的激光进行合束。该合束光学系统通过多个VCSEL激光二极管形成的阵列增加发光功率，同时通过双凸透镜和复眼透镜实现激光光斑的合束，增加出光面的光学功率密度，且能够有效抑制边缘杂散光的产生。

Description

一种基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统

技术领域

本实用新型涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种基于VCSEL激光二极管阵列的能够抑制杂散光产生的合束光学系统。

背景技术

过去几年间，在半导体激光器领域，基于GaAs材料的VCSEL发射半导体激光器越来越受到市场的青睐。VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)是一种半导体激光二极管，以砷化镓等半导体材料为基础研制，有别于LED(发光二极管)和LD(LaserDiode，激光二极管)等其他光源。与传统的边发射(Edge emitter)激光器不同，VCSEL是垂直腔表面发射激光器，是从顶部表面垂直发射高功率光学激光束，垂直腔表面发射激光器的发光方向垂直于激光型腔面方向，从腔体的顶面射出，光束近似平顶输出。

VCSEL是面形光源，其发散角较小(发散角全角约为22度左右)，其远场光强近似平顶分布，能量分布均匀；VCSEL发射的光线均匀，并且在远场目标物上高斯能量分布均匀；而且具有更高的工作温度，预期寿命更长且广泛应用于光通信领域，故障率很低，据相关试验数据表明VCSEL激光二极管的理论寿命达到了50000小时，并且可以采用平面封装，这样对产品封装要求更低，理论上可以进行N个数量的复制和叠加。总的来说，VCSEL激光器有诸多优点，如具有体积小、圆形输出光斑、天然2D机构光、单纵模输出、阈值电流小、工作温度范围大、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用与光通信，光互连，光存储等领域。

然而单个VCSEL芯片光功率小，在很多应用场合造成出光能量不够，因此，需要提供一种更大功率的可用于实际应用领域的VCSEL激光器。再者由于现有工业技术的进步，市场中将会需要越来越大的VCSEL激光功率来满足24h不间断监控，激光加热、激光医疗、激光雷达等应用，给VCSEL激光领域带来一场全新的机遇和挑战。

但是VCSEL芯片发光面积大，对VCSEL激光阵列进行合束是行业一大难题。目前有采用激光空间光合束的相关技术，但由于其对位置变动极为敏感，故一致性差，从而造成散斑及杂散光的形成。现有的技术在对VCSEL大功率光束合束时，出现合束后光束质量差、光束分布不均匀等问题，因此无法满足不同用户对在监控场景不同功率的需求。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述不足，本实用新型提供了一种基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，通过多个VCSEL激光二极管形成的阵列增加发光功率，同时通过双凸透镜和复眼透镜实现激光光斑的合束，增加出光面的光学功率密度，且能够有效抑制边缘杂散光的产生。

实现本实用新型上述目的所采用的技术方案为：

一种基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，至少包括VCSEL激光二极管阵列，其特征在于：所述VCSEL激光二极管阵列的前方依次安装有双凸透镜和复眼透镜，其中双凸透镜与VCSEL激光二极管阵列之间的距离可调，且VCSEL激光二极管阵列的发光中心与双凸透镜、复眼透镜的中心处于同一条水平线上，通过双凸透镜和复眼透镜对VCSEL激光二极管阵列发射的激光进行合束。

所述双凸透镜和复眼透镜通过透镜连接座和透镜固定座安装于VCSEL激光二极管阵列的前方，其中透镜固定座内依次开设有与双凸透镜、复眼透镜尺寸相匹配的内部孔，双凸透镜和复眼透镜分别固定安装于对应的内部孔内；

所述透镜连接座内开设有与透镜固定座尺寸相匹配的安装孔，透镜固定座安装于安装孔内，并与透镜连接座通过螺纹进行连接，透镜固定座在透镜连接座内平行移动，对双凸透镜与VCSEL激光二极管阵列之间的距离进行调节，抑制杂散光的产生。

所述VCSEL激光二极管阵列连接PCB控制板，PCB控制板连接控制终端，PCB控制板采集VCSEL激光二极管阵列的电流和电压信号，并将信号传至控制终端，控制终端通过控制指令对VCSEL激光二极管阵列的输出功率进行调节。

所述VCSEL激光二极管阵列的后方安装有散热机构，散热机构包括风扇和散热片，风扇与散热片的一端固定连接，VCSEL激光二极管阵列固定于铜基板上，铜基板固定于散热片远离风扇的一端上，且VCSEL激光二极管阵列位于散热片的中心线上。

所述双凸透镜与复眼透镜之间的距离为1.47mm-2mm。

所述双凸透镜的两个凸面曲率半径相等或者不相等。

所述VCSEL激光二极管阵列与双凹凸镜之间的距离为0-30mm。

所述复眼透镜是由双面12×16只小透镜组成，两面小透镜的曲率半径相等。

所述VCSEL激光二极管阵列为由VCSEL激光二极管组成的矩形阵列或圆形阵列或条形阵列。

所述VCSEL激光二极管为VCSEL芯片组成的平行阵列、品字阵列或四片平行阵列。

与现有技术相比，本实用新型提供的技术方案有以下优点：

1、本实用新型中提供的基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，利用双凸透镜进行一次高斯光合束整形后，再利用复眼透镜的微结构阵列进行二次高斯光整形或扩束匀化，实现激光光斑合束，从而将多个VCSEL激光束整合成一束光，增加出光面的光学功率密度。

2、本实用新型中通过多个VCSEL激光二极管形成的阵列增加发光功率，而且通过调节双凸透镜与VCSEL激光二极管阵列之间的距离以及复眼透镜的曲率半径的方式，可以有效减少边缘杂散光的产生，使边缘光形界面轮廓更清晰，可以用于多种场合的夜视照明系统或光束合束系统。而且双凸透镜与VCSEL激光二极管阵列之间距离的调节通过螺纹连接的方式来实现，调节稳定可靠。

3、本实用新型中VCSEL激光二极管阵列与PCB控制板连接，PCB控制板与控制终端连接，能够对VCSEL激光二极管阵列的输出功率进行远程实时调节和控制，满足不同应用场合对功率的需求。

4、本实用新型中VCSEL激光二极管阵列的后方安装有散热机构，能够有效散发VCSEL激光二极管阵列发出的热量，使得VCSEL激光二极管阵列能够由更多的VCSEL激光二极管组成。

5、本实用新型中提供的基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统可应用于工业自动化、安防监控、汽车夜视照明，汽车辅助驾驶或汽车雷达系统等多个领域，满足不同用户对不同功率激光进行合束的需求。

附图说明

图1为本实用新型中基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统的爆炸视图；

图2为本实用新型中基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统的截面图；

图3为本实用新型中基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统的侧视图；

图4为本实用新型中VCSEL激光二极管阵列发出的激光经合束光学系统合束后形成矩形光斑的图像；

图5为本实用新型中VCSEL激光二极管阵列发出的激光经合束光学系统合束后形成圆形光斑的图像；

图中：1-VCSEL激光二极管阵列，2-双凸透镜，3-复眼透镜，4-透镜连接座，5-透镜固定座，6-风扇，7-散热片，8-铜基板，9-PCB控制板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做详细具体的说明。

本实用新型提供的基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统如图1～图3所示，至少包括VCSEL激光二极管阵列1，VCSEL激光二极管阵列为由VCSEL激光二极管组成的矩形阵列或圆形阵列或条形阵列，VCSEL激光二极管为VCSEL芯片组成的平行阵列、品字阵列或四片平行阵列。VCSEL激光二极管的功率可以根据不同的芯片进行功率组合，功率能从几mW达到上万W。VCSEL激光二极管阵列功率大，能够应用于多领域中。

为了对VCSEL激光二极管阵列进行合束，本实施例中VCSEL激光二极管阵列的前方依次安装有双凸透镜2和复眼透镜3，其中所述双凸透镜与复眼透镜之间的距离为1.47mm-2mm，双凸透镜与VCSEL激光二极管阵列之间的距离可调，且VCSEL激光二极管阵列的发光中心与双凸透镜、复眼透镜的中心处于同一条水平线上，VCSEL激光二极管阵列发射激光，经双凸透镜进行第一次合束整形，再经复眼透镜进行二次高斯光整形或扩束匀化，从而对VCSEL激光二极管阵列发射的激光进行合束，使其形成矩形或圆形光斑，如图4和图5所示。通过复眼透镜进行二次高斯光整形或扩束匀化后，能够改善光束的均匀性，使光束更均匀。

本实施例中双凸透镜与VCSEL激光二极管阵列之间的距离可调通过螺纹结构来实现，具体地，双凸透镜和复眼透镜通过透镜连接座4和透镜固定座5安装于VCSEL激光二极管阵列的前方，其中透镜固定座内依次开设有与双凸透镜、复眼透镜尺寸相匹配的内部孔，双凸透镜和复眼透镜分别固定安装于对应的内部孔内，见图2。具体地，双凸透镜、复眼透镜通过胶粘固定在对应的位置上，当然，还可以是其他方式固定，如螺纹连接、栓接等。

透镜连接座内开设有与透镜固定座尺寸相匹配的安装孔，透镜固定座安装于安装孔内，并与透镜连接座通过螺纹进行连接，见图2，透镜固定座在透镜连接座内前后平行移动，带动双凸透镜和复眼透镜前后移动，对双凸透镜与VCSEL激光二极管阵列之间的距离进行调节，从而抑制杂散光的产生，也能够调整光斑的大小。通过双凸透镜与复眼透镜的结合方式达到多光斑合束并抑制杂散光产生。

进一步地，双凸透镜的凸面曲率半径可以相等，也可以不相等。VCSEL激光二极管阵列与双凹凸镜之间的距离为0-30mm，根据实际场合需求进行调节。本实施例中双凸透镜的两个凸面曲率半径相等，VCSEL激光二极管阵列与双凸透镜中心位置之间的距离为30mm；双凸透镜的曲率半径为30.5mm，复眼透镜的小透镜的曲率半径为3.59mm。

本实施例中复眼透镜是由双面12×16只小透镜组成，见图3，双面小透镜的曲率半径相等。在调整双凸透镜与VCSEL激光二极管阵列距离时，也可以考虑通过调节复眼透镜的曲率半径，来对VCSEL激光二极管阵列发出的激光进行合束调整，以满足不同的场合需要。此时，可以通过更换具有对应尺寸的内部孔的透镜固定座即可。

由于VCSEL激光二极管阵列发出激光后，会放出热量，因此本实施例中在VCSEL激光二极管阵列的后方安装有散热机构，散热机构包括风扇6和散热片7，风扇与散热片的一端固定连接，VCSEL激光二极管阵列固定于铜基板8上，具体地，VCSEL激光二极管阵列与铜基板用调导锡膏或银浆进行焊接。铜基板的导热面固定于散热片远离风扇的一端上，且VCSEL激光二极管阵列位于散热片的中心线上。具体地，透镜连接座固定于散热片远离风扇的一端上，并罩在VCSEL激光二极管阵列的外侧，即透镜连接座与散热片形成密闭腔体包围VCSEL激光二极管阵列和铜基板，如图2所示。

具体地，VCSEL激光二极管阵列连接PCB控制板9，PCB控制板连接控制终端，PCB控制板包括ADC采样，VCSEL激光二极管阵列与PCB控制板电连接，ADC采样采集激光二极管阵列两端的电压与电流，并将采集的数据反馈给PCB控制板，再传至控制终端，控制终端发布控制指令至PCB控制板，从而对VCSEL激光二极管阵列的输出功率进行远程实时调节和控制，以满足不同的场合需要。进一步地，PCB控制板固定安装于散热片的上端面，见图2。风扇与散热片、铜基板与散热片、透镜连接座与散热片、PCB控制板与散热片之间均通过螺栓进行连接，也可以通过其他连接方式，如焊接、粘接等。

本实用新型通过多个VCSEL激光二极管阵列获得更大的发光功率，同时把多个VCSEL激光二极管阵列的光束进行准直后用复眼的方式来匀化光束质量，且抑制边缘杂散光的产生。而且通过PCB控制板和控制终端能够实现VCSEL激光二极管阵列功率的调节，从而适应不同的应用场合，通过调整双凸透镜与VCSEL激光二极管阵列之间的距离，使VCSEL激光二极管阵列发出的激光始终能够合束并抑制杂散光的产生。本实用新型中提供的基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统可应用于工业自动化、安防监控、汽车夜视照明，汽车辅助驾驶或汽车雷达系统等多个领域，满足不同用户对不同功率激光进行合束的需求。

Claims (10)

1.一种基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，至少包括VCSEL激光二极管阵列，其特征在于：所述VCSEL激光二极管阵列的前方依次安装有双凸透镜和复眼透镜，其中双凸透镜与VCSEL激光二极管阵列之间的距离可调，且VCSEL激光二极管阵列的发光中心与双凸透镜、复眼透镜的中心处于同一条水平线上，通过双凸透镜和复眼透镜对VCSEL激光二极管阵列发射的激光进行合束。

2.根据权利要求1所述的基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，其特征在于：所述双凸透镜和复眼透镜通过透镜连接座和透镜固定座安装于VCSEL激光二极管阵列的前方，其中透镜固定座内依次开设有与双凸透镜、复眼透镜尺寸相匹配的内部孔，双凸透镜和复眼透镜分别固定安装于对应的内部孔内；

所述透镜连接座内开设有与透镜固定座尺寸相匹配的安装孔，透镜固定座安装于安装孔内，并与透镜连接座通过螺纹进行连接，透镜固定座在透镜连接座内平行移动，对双凸透镜与VCSEL激光二极管阵列之间的距离进行调节，抑制杂散光的产生。

3.根据权利要求1所述的基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，其特征在于：所述VCSEL激光二极管阵列连接PCB控制板，PCB控制板连接控制终端，PCB控制板采集VCSEL激光二极管阵列的电流和电压信号，并将信号传至控制终端，控制终端通过控制指令对VCSEL激光二极管阵列的输出功率进行调节。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，其特征在于：所述VCSEL激光二极管阵列的后方安装有散热机构，散热机构包括风扇和散热片，风扇与散热片的一端固定连接，VCSEL激光二极管阵列固定于铜基板上，铜基板固定于散热片远离风扇的一端上，且VCSEL激光二极管阵列位于散热片的中心线上。

5.根据权利要求1所述的基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，其特征在于：所述双凸透镜与复眼透镜之间的距离为1.47mm-2mm。

6.根据权利要求1所述的基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，其特征在于：所述双凸透镜的两个凸面曲率半径相等或者不相等。

7.根据权利要求1所述的基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，其特征在于：所述VCSEL激光二极管阵列与双凹凸镜之间的距离为0-30mm。

8.根据权利要求1所述的基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，其特征在于：所述复眼透镜是由双面12×16只小透镜组成，两面小透镜的曲率半径相等。

9.根据权利要求1所述的基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，其特征在于：所述VCSEL激光二极管阵列为由VCSEL激光二极管组成的矩形阵列或圆形阵列或条形阵列。

10.根据权利要求9所述的基于VCSEL激光二极管阵列的合束光学系统，其特征在于：所述VCSEL激光二极管为VCSEL芯片组成的平行阵列、品字阵列或四片平行阵列。

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