CN220399677U - 一种基于激光激发荧光的光纤光源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及了一种基于激光的光纤耦合的白激光光源，其特征在于，包括激光二极管、第一透镜、扩散片、波长转换片、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光纤、激光底座、透镜底座、波长转换片固定底座、限位底座、可调节连接件、光纤固定盘。激光二极管在外加电流作用下发射单色激光，透过第一透镜、扩散片后照射到波长转换片上，产生的白光通过第二透镜、第三透镜、第四透镜后照射到光纤，输出均匀、高效的白光。本实用新型的光纤光源具有结构紧凑、整体效率高、寿命时间长等优点，可用于照明、投影、机器视觉及内窥镜观察等场合。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于激光激发荧光的光纤光源，用于照明与显示等技术领域。
背景技术
光纤光源传具有体积小、重量轻、信号传输稳定、输出方向灵活等优点，实际应用广泛，如光纤照明、光纤传感等。光纤光源的基本原理是将白光光源发出的光从光纤的一端输入光纤，然后再通过光纤另一端输出。
根据光学扩展量守恒的基本定律，光纤输出的最大光通量由以下公式估算：
其中，Ls为光源的亮度；UF是光纤的扩展量，由以下公式决定：
UF＝(πrNA)2
其中，r为光纤芯半径，NA为光纤的数值孔径。由于光纤的光学扩展量很小，因此输入光源需要具有很高的亮度才能在光纤的另一端得到比较大的光输出。
在白光光纤光源中，目前常用的输入光源主要有卤素灯、氙灯和LED光源。传统的卤素灯和氙灯光纤光源寿命短、能耗高、发热量大等问题。而LED光源虽然具有节能环保、寿命长、可靠性高等优点，但由于其亮度比较低，因此和光纤的耦合效率低，所以通常必须采用多束光纤耦合，难以应用于小直径的光纤照明系统。
另一方面，基于激光激发荧光的白光源采用激光束激发荧光材料产生白光，具有能量密度高、发光面积小、亮度可超过LED光源10倍以上等优点。用这样的光源与光纤耦合，可以实现白光和光纤的高效耦合，系统也同时兼具寿命长、可靠性高、体积小等优点。
实用新型内容
本实用新型为一种基于激光激发荧光的光纤光源，基本原理是采用激光激发荧光的高亮度白光光源作为输入光源，实现高效率的白光与光纤的耦合。本实用新型的特征在于，包括激光二极管、第一透镜、扩散片、荧光波长转换片、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光纤。在外加电流作用下单色激光二极管通过第一透镜、扩散片将光束照射至波长转换片上，在其表面形成白光，再通过第二透镜、第三透镜、第四透镜照射至光纤入射端面，通过光纤的出射端面将白光输出，以形成均匀、高亮度的白光光源。
进一步地，上述激光二极管、第一透镜、扩散片、波长转换片、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光纤的法向处于同一轴线上。
进一步地，上述激光二极管发出的激光波长在430nm–470nm之间。
进一步地，上述第一透镜为凸透镜位于激光二极管之后、扩散片之前。
进一步地，上述扩散片位于第一透镜之后、波长转换片之前，扩散片对激光的扩散角度在0.5°-10°之间，扩散片厚度为0.3mm–2mm。
进一步地，上述波长转换片由荧光材料膜、反射膜置于透明基底上构成，其厚度在0.2mm到1mm之间，将波长在430nm-470nm之间的激光转换为波长在400nm–700nm之间的白光。
进一步地，上述第二透镜、第三透镜、第四透镜为凸透镜位于波长转换片之后、光纤之前。
进一步地，上述光纤的芯径尺寸在300um–800um之间，数值孔径NA在0.2-0.4之间。
本实用新型具有以下有益效果：
(1)结构紧凑：各零部件单元之间距离小，结构所需空间小，光源的整体体积小；(2)光路精准：发光源和光学元器件在一条轴线上，容易实现精准对中，提高光纤耦合效率；(3)转换效率高：激光在到达波长转换片之前的光能损失小，白光在到达光纤之前的光能损失小，保证了光源的整体效率；(4)寿命时间长：驱动光源为激光二极管寿命最多长达100000小时。
附图说明
图1为光纤结构示意图。
图2为光纤接收与传输光示意图。
图3为本实用新型所设计的基于激光激发荧光的光纤光源的光路系统示意图。
图4为本实用新型所设计的基于激光激发荧光的光纤光源的结构示意图。
图5为波长转换片上光斑示意图。
图6为波长转换片上光斑能量分布示意图。
具体实施方式
图1为光纤结构示意图。其中包括，芯径(101)为高折射率玻璃，折射率为n1；包覆(102)为低折射率玻璃，折射率为n2；缓冲层(103)和外套(104)。
用n0表示周围环境的折射率，光纤的数值孔径NA表示为：
图2为光纤接收与传输光示意图。光纤的传输依靠光的全反射，当光线遇到芯径-包覆边界时，若入射角θ于临界角θmax，则光线会被完全反射；假若入射角θ大于临界角θmax，则光线会折射入包覆，无法继续传导。光纤的临界角是由核心折射率与包覆折射率共同决定，临界角的大小又决定了光纤的受光角，通常以数值孔径来表示其大小：
较高的数值孔径会允许光线，通过接近轴心和较大的角度传导于芯径，造成光线和光纤更有效率的耦合，耦合效率η可表示为：
式中，D为光束直径，w0为单模光纤模场半径，λ为光束波长，f为光学系统焦距。
图3为本实用新型采用的基于激光激发荧光的光纤光源。如图3所示，按照本实用新型采用的光路，单色激光二极管(301)通过第一透镜(302)、扩散片(303)将光束照射至波长转换片(304)上，在其表面形成白光，再通过第二透镜(305)、第三透镜(306)、第四透镜(307)照射至光纤(308)入射端面，通过光纤(308)的出射端面将白光输出，以形成均匀、高亮度的白光光源。
图4为根据图3所示光路设计的基于激光激发荧光的光纤光源的结构示意图。通过压圈(401)将激光二极管(402)固定在激光管底座(403)上，透镜底座(404)、波长转换片底座(416)、限位底座(413)固定在一起，保证平行度。激光二极管(402)发射的激光束经过第一透镜(405)、扩散片(406)照射至波长转换片(415)，产生白光。第二透镜(414)、第三透镜(407)、第四透镜(408)照射至光纤(411)输出均匀、高亮度的白光。
采用第二透镜(414)、第三透镜(407)、第四透镜(408)耦合白光进入光纤，减小球差，准直效果好，耦合效率高，结构稳定，系统体积小。
第三透镜(407)、第四透镜(408)通过透镜隔圈(412)限位，保证精准度。
波长转换片(415)将部分单色光波长转换为其他波长并透过部分单色光，形成400-700nm的宽光谱白光。
可调节连接件(409)与光纤固定盘(410)固定，可调节光纤(411)位置，以提高光纤耦合效率。
进一步，按图3构造光源，并进行测试，测试结果列于表1。使用单个输出功率为5W激光二极管，其波长为450nm，驱动功率为13.5W时，其波长转换片上的光通量为
700lm。
表1.波长转换器上白光的光学性能
| 测量参数 | 单位 | 数据 |
| 电流 | A | 3 |
| 电压 | V | 4.5 |
| 光通量 | lm | 700 |
其波长转换片上光斑如图5所示，光斑直径为0.45mm。图6表示波长转换片上光斑的能量分布，虚线部分表示所用光纤的利用效率达70％。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型专利的实施例只作为举例而并不限制本实用新型专利。本实用新型专利的目的已经完整有效地实现。本实用新型专利的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型专利的实施方式可以有任何变形或修改。
Claims (13)
1.一种基于激光激发荧光的光纤光源，其特征在于，包括激光二极管、第一透镜、扩散片、波长转换片、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光纤、激光管底座、透镜底座、波长转换片固定底座、限位底座、可调节连接件、光纤固定盘。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光激发荧光的光纤光源，其特征在于，所述的激光二极管、第一透镜、扩散片、波长转换片、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光纤的法向处于同一轴线上。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光激发荧光的光纤光源，其特征在于，所述的激光二极管发出的激光波长在430nm–470nm之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光激发荧光的光纤光源，其特征在于，所述的第一透镜位于激光二极管之后、扩散片之前。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光激发荧光的光纤光源，其特征在于，所述的扩散片位于第一透镜之后、波长转换片之前。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光激发荧光的光纤光源，其特征在于，所述的扩散片对激光的扩散角度在0.5°–10°之间。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光激发荧光的光纤光源，其特征在于，所述的扩散片厚度为0.3mm-2.0mm之间。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光激发荧光的光纤光源，其特征在于，所述的波长转换片位于扩散片之后、第二透镜之前。
9.根据权利要求1所述的一种基于激光激发荧光的光纤光源，其特征在于，所述的波长转换片依次包括透明基底、反射膜和荧光材料。
10.根据权利要求1所述的一种基于激光激发荧光的光纤光源，其特征在于，所述的波长转换片将波长在430nm-470nm之间的激光转换为波长在400nm–700nm之间的荧光。
11.根据权利要求1所述的一种基于激光激发荧光的光纤光源，其特征在于，所述的第二透镜、第三透镜、第四透镜位于波长转换片之后、光纤之前。
12.根据权利要求1所述的一种基于激光激发荧光的光纤光源，其特征在于，所述的第一、第二透镜、第三透镜、第四透镜皆为凸透镜。
13.根据权利要求1所述的一种基于激光激发荧光的光纤光源，其特征在于，所述的光纤芯径尺寸在300um–800um之间，数值孔径NA在0.2-0.4之间。
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