CN102709804A - 集成激光光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光光源，具体为一种集成激光光源，解决了目前激光器实现大功率输出较为困难、简单的阵列布置会造成散热性差、输出的激光常常伴有散斑以及光功率密度不够高的技术问题。一种集成激光光源，包括反射堆光耦合装置，和与反射堆光耦合装置相配合的激光发射器系统；所述反射堆光耦合装置包括多层沿主光轴轴向排列的反射阵；所述反射阵包括多个环绕主光轴布置的反射面以及位于主光轴上的一个中心反射面。本发明通过对反射面和激光发射器的巧妙空间布置解决了过去大功率激光光源光功率小，光功率密度低，散热性差、散斑严重等问题，取得了突出的技术效果，且成本低廉，易于生产操作。

Description

集成激光光源

技术领域

本发明涉及激光光源，具体为一种集成激光光源。 

背景技术

在高亮度激光显示和高功率激光加工等领域对激光光功率的要求越来越大，现有技术中很难实现单个激光光源的大功率输出。特别是半导体激光器，虽然具有体积小，光电转换效率高，结构简单，运行稳定等优点，但由于输出功率小，必须进行多个激光器耦合集成，实现大功率输出。简单的阵列集成会造成体积大，光功率密度低，散射角大，散热特性差等缺陷。怎样实现大功率，高功率密度，小散射角激光光源成为激光显示、激光加工等领域中的难题之一。激光光源的相干性导致其在使用过程中会出现散斑现象。所谓散斑是指被激光照明的物体，在人眼观察时，其表面图像呈现颗粒状结构。这种颗粒状结构被称为“散斑”。散斑是由于相干光束被漫反射后相互干涉所产生。散斑的出现限制了激光成像系统的分辨率，一般情况下都希望尽量减小或消除散斑。 

公告号为CN101063519专利采用光纤耦合的方式实现大功率输出。激光器发出的光经过柱透镜、球透镜整形后变成平行光，每束平行光经汇聚透镜汇聚到一根光纤中，多束光纤再封装在一起。该设计方案的缺点是工艺难度大，光纤直径大，散射角大等。 

有专利文献采用两片准直透镜对红色和蓝色半导体激光器进行准直，多个准直光束经阶梯形反射镜剔除无光区，为提高光功率密度，再利用两个合束镜将红色，蓝色和绿色固态光纤激光器光束合为白光。 该方案中红色和蓝色光束剔除无光区后，圆形光斑为二维矩形阵列，并非为密堆积形结构，光功率密度低，耦合效率差。 

公告号为CN1316641的专利将多个波长递减激光器垂直入射到主光轴上，在主光轴上45度角放置多个波长合束镜，入射光束在主光轴上合束为一束同轴光束。该方法有效降低光斑截面大小和散射角度，但是由于不同波长激光器种类有限，无法实现大功率激光输出。 

综上所述，现有的激光器要实现大功率输出有许多技术困难，激光光源依然存在严重的散斑现象，影响了激光的应用，因此需要一种能够实现大功率激光输出、有效消除激光散斑以及具有高光功率密度的激光光源。为描述方便，规定沿激光出射的方向（即主光轴方向）为前，与其相反的方向规定为后。 

发明内容

本发明为解决目前激光器实现大功率输出较为困难、而简单的阵列布置会造成散热性差、输出的激光常常伴有散斑以及光功率密度不够高的技术问题，提供一种集成激光光源。 

本发明是采用如下技术方案实现的：一种集成激光光源，包括反射堆光耦合装置，和与反射堆光耦合装置相配合的激光发射器系统；所述反射堆光耦合装置包括位于主光轴上的一个中心反射面和多层沿主光轴轴向排列的反射阵；所述反射阵包括多个环绕主光轴布置的反射面；所述反射面与中心反射面的出射方向均朝向主光轴同一端；所述激光发射器系统包括与中心反射面和各反射阵相对应的激光发射器排列；所述激光发射器排列包括与各反射面及中心反射面相对应的多个激光发射器；所述每层反射阵的反射面的位置相错且与中心反射面的位置相错。 

所述反射阵沿主光轴分层布置，与反射阵及中心反射面对应的激光发射器排列也沿主光轴分层布置，每个激光发射器将激光光束发射到与其对应的反射面及中心反射面上，反射面及中心反射面将激光反射而出；反射面及中心反射面的出射方向位于主光轴同一侧，使得被反射的激光也在主光轴的同一侧；由于反射阵及与其对应的激光发射器排列可以多层布置，能够根据实际需要布置反射阵和激光发射器排列及激光发射器的数量，所以可以实现激光的大功率输出；激光发射器环绕主光轴布置，激光发射器的散热面为多层环状，散热面积大，有效解决了激光发射器简单排布所造成的散热性差的技术问题；激光发射器发射的激光为线偏振光，同一偏振方向的激光汇聚后会由于光的相干性产生散斑；本发明由于激光发射器环绕主光轴分布，减小了不同激光发射器出射的激光线偏振方向为同一方向的几率；多个方向的线偏振光汇聚后合成为圆偏振光，起到了光束偏振多样性的作用，抑制了散斑现象；反射阵排列时要保证位于前方的反射阵不会对位于其后方的反射阵造成影响，即每一束被反射的激光都能够入射至前方而不会受到位于其前方的反射阵的阻挡；所述反射面及中心反射面的法线与主光轴的夹角可以依据实际工作需要进行布置，需要输出平行于主光轴的大功率激光时，调节反射面和与其配合的激光发射器之间的角度，使出射激光光束平行于主光轴出射；也可以调节反射面与激光发射器的角度，使出射激光汇聚于主光轴上的一点；还可以调节反射面与激光发射器的角度使得激光被反射后具有一定的发散角度，以满足不同工作的需要；需要说明的是，无论是平行于主光轴出射，还是与主光轴呈一定角度出射，本发明中的出射激光均已实现了大功率输出，且都有效消弱了激光散斑。具体应用时，可采用多种安装方式固定本发明所述的各部件，如可在每层反射阵的后部设置支撑杆，支撑杆的后端设置支杆以使整个反射阵能够固定于工作场所；环绕主光轴可以设置圆筒，激光发射器排列安置在圆筒上，圆筒通过外部支撑放置在工作场所；圆筒与支撑杆及支杆相互配合彼此不产生干涉。 

进一步地，所有反射阵的反射面及中心反射面在与主光轴垂直的平面上的投影为密堆积排列；投影形状为正六边形或圆形；所述反射面及中心反射面的出射方向与主光轴平行。 

由于激光器的出射光斑一般为圆形斑，要使圆形斑在平面排列最为密集，间隙最小，只有采用密堆积排列；密堆积排列为在平面上的最密排列，即对于大小基本相当的圆形或正六边形，在一个平面上排列时，采用密堆积排列对平面的利用率最高，间隙最小（如图4、5所示）；反射面采用密堆积的排列方式，能够有效提高单位平面内出射激光的光功率密度；反射面及中心反射面的出射方向与主光轴平行，使得被反射的激光光束与主光轴平行，出射的激光光束具有密堆积排列，极大地提高了出射激光的光功率密度。 

激光发射器包括激光器以及设置在激光器出射光路上的准直透镜。 

位于激光器出射光路上的准直透镜用于将激光器发射的激光汇聚，反射面及中心反射面在与主光轴垂直的平面投影为圆形时，准直透镜使激光的光斑小于或等于与其对应的反射面；反射面及中心反射面在与主光轴垂直的平面投影为正六边形时，准直透镜使出射的激光光斑小于或等于与正六边形内接的圆的面积；这样出射的激光光斑为密堆积排列，以保证激光光束能够被最大限度的利用，单位面积出射的激光光功率密度最大，且不会对其余的部件造成影响。利用准直透镜进行准直，还有效降低了出射光束的散射角度，因此激光器的光学扩展量小。 

本发明通过对反射面及中心反射面和激光发射器的巧妙空间布置解决了过去大功率激光器常有的散热性差、存在散斑的技术问题，取得了突出的技术效果，同时大大提高了出射激光的光功率密度，所采用的设备均为现有设备且容易生产制造，成本较过去的大功率激光器大为降低。 

附图说明

图1本发明结构示意图。 

图2本发明主视结构示意图。 

图3反射面与激光发射器结构示意图。 

图4反射面及中心反射面投影为正六边形的示意图。 

图5反射面及中心反射面投影为圆形的示意图。 

图6采用圆柱体的截面作为反射面及中心反射面时的结构示意图。 

图7光纤替换中心反射面后的结构示意图。 

图8 本发明应用于单芯片投影系统时的结构示意图。 

图9本发明应用于三芯片投影显示系统时的结构示意图。 

1-主光轴，2-反射阵，3-反射面，4-中心反射面，5-激光发射器排列， 6-激光器，7-准直透镜，8-温控系统，9-光纤激光器，10-集成激光光源，11-汇聚透镜，12-光通管，13-场透镜，14-DLP（LCD或LCoS）成像单元，15-投影透镜，16-屏幕，17-单基色集成激光光源，18-合束器，19-TIR棱镜，20-棱镜。 

具体实施方式

一种集成激光光源，包括反射堆光耦合装置，和与反射堆光耦合装置相配合的激光发射器系统；所述反射堆光耦合装置包括位于主光轴1上的一个中心反射面4和多层沿主光轴1轴向排列的反射阵2；所述反射阵2包括多个环绕主光轴1布置的反射面3；所述反射面3与中心反射面4的出射方向均朝向主光轴1同一端；所述激光发射器系统包括与中心反射面4和各反射阵2相对应的激光发射器排列5；所述激光发射器排列5包括与各反射面3及中心反射面4相对应的多个激光发射器；所述每层反射阵2的反射面3的位置相错且与中心反射面4的位置相错。所有反射阵2的反射面3及中心反射面4在与主光轴1垂直的平面上的投影为密堆积排列；投影形状为正六边形或圆形；所述反射面3及中心反射面4的出射方向与主光轴平行。激光发射器包括激光器6以及设置在激光器6出射光路上的准直透镜7。激光发射器还包括用于控制激光器6温度的温控系统8。各激光器6采用中心波长具有一定分布的激光器集成。反射阵2的各反射面3是由与主光轴1平行且环绕主光轴1的圆柱体或正六棱柱体的一端截面形成；中心反射面4是由位于主光轴上的单个圆柱体或正六棱柱体的一端截面形成。形成反射面3及中心反射面4的各圆柱体或正六棱柱体非反射面端对齐并相互固定，以形成一体式的反射堆光耦合装置。采用光纤激光器9替代形成中心反射面4的单个圆柱体或正六棱柱体，或取代一个或多个形成反射面3的圆柱体或正六棱柱体。激光器6采用连续激光器或脉冲激光器。 

本发明除了采用激光器环形排布的技术消除散斑外，还采用了其它几种技术进一步减小散斑的出现几率：激光器配有温控系统8，可以调节每个激光器6工作时的温度，对于同种型号的激光器6，工作在不同的温度下，其射出的激光的中心波长会有所不同，这样在经过反射面反射后的激光由于波长不同不会产生相干，进一步减小了散斑的产生几率；中心波长具有一定分布是指每个激光器发射的激光波长不相同，互不相干，同样能够减小散斑的出现几率；工作时，还可以使各个激光发射器交替输出激光，进一步减小散斑的出现几率。通过将多个圆柱体或正六棱柱体集中紧束在一起，圆柱体或正六棱柱体的位于同一侧的端部切开，切开时按照需要的反射面与主光轴的角度进行切割，这些圆柱体（如图6）或正六棱柱体的截面就形成了反射面及中心反射面；圆柱体或正六棱柱体可采用层层叠叠的布置，中心反射面位于最前端，然后形成一层层的由反射面组成的反射阵；紧束在一起的圆柱体或正六棱柱体可在后部设立支撑架，用于固定整个装置；圆柱体或正六棱柱体的截面大小基本相当；圆柱体或正六棱柱体可采用光纤制成，切割后的表面直接作为反射面或中心反射面，也可以采用其它耐高温材料如玻璃，石英，金属等固态材质制成；反射面3及中心反射面4均镀有高反射膜，以提高反射率；可以用光纤激光器9取代中心反射面4，或取代一个或多个反射面3，实现激光的混合输出，如图7所示。所述的反射堆光耦合装置还可以采用一个表面被切割成具有多个反射面及中心反射面的多面体。准直透镜7的结构形式可以有多种选择，具体实施时可采用单透镜或透镜组来完成激光的汇聚；透镜的结构可选用非球面透镜或柱面透镜；本发明在具体应用时，多采用反射面3法线与主光轴1成45度角的布置，此种布置方式结构最简单，比较易于实现。主光轴上设有合束器，出射激光可经过合束器的汇聚进一步提高光功率密度。 

以下列举两个应用本发明所述集成激光光源的具体实施例。实施例1：如图8所示，本发明所述集成激光光源10经汇聚透镜11汇聚到光通管12进行匀场，匀场后光束经场透镜13投射到DLP（LCD或LCoS）成像单元14。具有图像信息的光束经投影透镜15投射到屏幕16。本实施例也适用于点扫描的激光投影仪和激光电视显示。 

实施例2：如图9所示，本发明可应用于三芯片投影显示系统。六个单基色密度集成激光光源17经合束器18合束后，经汇聚透镜11汇聚到光通管12进行匀场。匀场后光束经场透镜13及TIR棱镜19投射到DLP、LCD或LCoS成像单元14进行图像调制。具有图像信息的三基色光束经棱镜20合成彩色图像，投影透镜15投射到屏幕16。本实施例适用于激光投影仪和激光电视。 

Claims (10)

1.一种集成激光光源，其特征在于，包括反射堆光耦合装置，和与反射堆光耦合装置相配合的激光发射器系统；所述反射堆光耦合装置包括位于主光轴（1）上的一个中心反射面（4）和多层沿主光轴（1）轴向排列的反射阵（2）；所述反射阵（2）包括多个环绕主光轴（1）布置的反射面（3）；所述反射面（3）与中心反射面（4）的出射方向均朝向主光轴（1）同一端；所述激光发射器系统包括与中心反射面（4）和各反射阵（2）相对应的激光发射器排列（5）；所述激光发射器排列（5）包括与各反射面（3）及中心反射面（4）相对应的多个激光发射器；所述每层反射阵（2）的反射面（3）的位置相错且与中心反射面（4）的位置相错。

2.如权利要求1所述的集成激光光源，其特征在于所有反射阵（2）的反射面（3）及中心反射面（4）在与主光轴（1）垂直的平面上的投影为密堆积排列；投影形状为正六边形或圆形；所述反射面（3）及中心反射面（4）的出射方向与主光轴平行。

3.如权利要求1或2所述的集成激光光源，其特征在于所述激光发射器包括激光器（6）以及设置在激光器（6）出射光路上的准直透镜（7）。

4.如权利要求3所述的集成激光光源，其特征在于所述激光发射器还包括用于控制激光器（6）温度的温控系统（8）。

5.如权利要求3所述的集成激光光源，其特征在于所述各激光器（6）采用中心波长具有一定分布的激光器集成。

6.如权利要求1或2所述的集成激光光源，其特征在于反射阵（2）的各反射面（3）是由与主光轴（1）平行且环绕主光轴（1）的圆柱体或正六棱柱体的一端截面形成；中心反射面（4）是由位于主光轴（1）上的单个圆柱体或正六棱柱体的一端截面形成。

7.如权利要求6所述的集成激光光源，其特征在于形成反射面（3）及中心反射面（4）的各圆柱体或正六棱柱体非反射面端对齐并相互固定，以形成一体式的反射堆光耦合装置。

8.如权利要求6所述的集成激光光源，其特征在于采用光纤激光器（9）替代形成中心反射面（4）的单个圆柱体或正六棱柱体，或取代一个或多个形成反射面（3）的圆柱体或正六棱柱体。

9.如权利要求7所述的集成激光光源，其特征在于采用光纤激光器（9）替代形成中心反射面（4）的单个圆柱体或正六棱柱体，或取代一个或多个形成反射面（3）的圆柱体或正六棱柱体。

10.如权利要求3所述的集成激光光源，其特征在于所述激光器（6）采用连续激光器或脉冲激光器。

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