CN118816114A - 一种水下无线光通信绿光光源器件及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下无线光通信绿光光源器件及其应用，包括激光模组，所述激光模组用于产生蓝光激光；荧光转换器，所述荧光转换器用于将所述蓝光激光转换为绿光荧光；以及镜头组，所述镜头组用于对所述荧光转换器输出的绿光荧光进行光束聚焦与准直。本发明的绿光光源器件通过精细的荧光转换机制，实现了更高的能量转换效率，有效解决了传统绿光激光器在电光转换效率上的短板；本发明的绿光光源器件由于采用了高功率蓝光驱动，因此具有更高的光输出功率。这一特点使得它在水下光通信远距离通信等应用中更具优势，能够确保信号的稳定传输和可靠接收；本发明的绿光光源器件通过优化材料和结构，显著延长了使用寿命，进而具有更低的综合成本。

Description

一种水下无线光通信绿光光源器件及其应用

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种水下无线光通信绿光光源器件及其应用。

背景技术

海洋资源的开发和利用与水下通信的发展密不可分，相关研究工作日益受到人们的重视。水下通信分为有线和无线两种方式，前者指利用光纤进行传输的通信方式，尽管具有传输速率高、容量大、抗干扰性强等优点，但海底光缆成本较高且易遭受海水侵蚀及海底生物的破坏，限制了水下通信的广泛应用。水下无线通信技术目前分为水声通信、水下射频通信和水下可见光通信三种类型，水声通信速率低，易出现延时，而且声波容易对水下生物造成不利影响，系统设备体积庞大，能耗较大；水下射频通信的载波电磁波在水下衰减严重，通信距离不足10米，无法满足未来远距离、高速率的无线通信；水下光通信是一项以光波作为信息载体的新兴技术，相较于前两者具备通信速率高、容量大、安全性好的优势，可应用于水下航行、深海采矿、海底监测/测绘等领域，具有广阔的发展前景。

然而，水体对光的强散射与吸收严重限制了水下无线光通信的通信距离，影响了其大规模应用。研究表明，水对450～550纳米波段的蓝绿光表现出相对较低的衰减，因此水下光通信光源首选蓝绿光源，又由于沿岸海水中富含浮游生物、碎屑和悬浮物质，易引起较大的吸收与米氏散射，此时透射率最大值波段向绿光波段移动；总之，光在海水中的衰减特性随海面深度与离海岸距离而发生变化，通常深海适合使用蓝光光源，沿海与湖泊更适合使用绿光光源。在水下无线光通信中，光源发射器件是实现信息高速率与远距离传输的关键组成部分，而光源的选择对于水下无线光通信系统发射器件的设计和实现至关重要，要求其具有高光输出功率、高调制带宽、高能量转换效率、低工作电压，以适应器件微型化的要求，且能够维持长期的正常运行。目前适用于沿海水域的水下无线光通信的两种绿光光源中，绿光发光二极管(LED)发光功率低且发散角大，尽管可通过LED阵列增大发射光功率，但这种方式导致器件体积庞大，不利于水下导航器件的微型化；另外，绿光半导体激光(LD)虽然准直性好，但存在电光转换效率低、功率小、寿命短、成本高等问题，限制了其在水下无线光通信领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种水下无线光通信绿光光源器件及其应用。

为实现上述发明目的，第一方面，本发明提供了一种水下无线光通信绿光光源器件，包括：

激光模组，所述激光模组用于产生蓝光激光；

荧光转换器，所述荧光转换器用于将所述蓝光激光转换为绿光荧光；以及

镜头组，所述镜头组用于对所述荧光转换器输出的绿光荧光进行光束聚焦与准直。

进一步的，所述激光模组包含一个或多个蓝光激光二极管，其发射的主波长位于420～480纳米之间。

进一步的，所述荧光转换器，能够吸收所述蓝光激光，并将其转化成波长范围位于480～800纳米的可见光，荧光转换器的发射光的主波长为绿光。

进一步的，所述荧光转换器为透射式荧光转换器或反射式荧光转换器。

进一步的，所述荧光转换器中使用的荧光材料为荧光陶瓷、荧光薄膜或荧光薄膜与导热基板的复合构件。

进一步的，所述反射式荧光转换器包括导热基板和第一荧光转换材料，导热基板与第一荧光转换材料之间通过导热胶连接；导热基板采用高导热材料，第一荧光转换材料为荧光陶瓷或荧光薄膜复合材料。

进一步的，所述透射式荧光转换器包括透明导热基板和第二荧光转换材料；两者之间通过导热胶连接；透明导热基板为透明的单晶基板或透明的金刚石；第二荧光转换材料为透明荧光陶瓷或荧光薄膜复合材料。

进一步的，所述镜头组为透镜、棱镜、反光碗中的一个或多个的组合体，激光模组的发射光中心与镜头组的焦点在同一轴线上，通过镜头组的移动实现调焦，将荧光转换器发射的绿光收束为准直光线，以实现远距离传播。

第二方面，本发明提供了一种水下无线光通信绿光光源器件的应用，应用在水下无线光通信系统中，与电子元器件耦合，使发射的绿光荧光被调制，通过绿光荧光实现信息的发射与接收。

进一步的，其光源光输出功率大于1毫瓦，光通量大于100流明，电光转换效率大于1％，调制带宽大于1千赫兹。

本发明相对于现有技术的优点以及有益效果为：

本发明在光学领域取得了显著的突破，特别是通过采用高功率蓝光驱动荧光转换材料的方式，成功实现了高亮度绿光的发射。这一创新不仅使得绿光光源器件具备了高光输出功率、高调制带宽和高能量转换效率等显著优点，更在多个方面超越了传统的绿光激光器。

(1)首先，在电光转换效率方面，本发明的绿光光源器件通过精细的荧光转换机制，实现了更高的能量转换效率，有效解决了传统绿光激光器在电光转换效率上的短板。这意味着在相同的能量输入下，本发明的绿光光源器件能够产生更强的绿光输出，极大地提升了其在实际应用中的效能。

(2)其次，在功率输出方面，本发明的绿光光源器件由于采用了高功率蓝光驱动，因此具有更高的光输出功率。这一特点使得它在水下光通信远距离通信等应用中更具优势，能够确保信号的稳定传输和可靠接收。

(3)再者，使用寿命方面，本发明的绿光光源器件通过优化材料和结构，显著延长了使用寿命。相比传统绿光激光器易损耗、易老化的特点，本发明的绿光光源器件具有更高的稳定性和可靠性，为用户提供了更长的使用寿命和更低的维护成本。

(4)最后，在成本方面，由于其高效能、长寿命和广泛应用前景，使得其在实际应用中具有更低的综合成本。

综上，本发明的绿光光源器件通过采用高功率蓝光驱动荧光转换材料的方式，实现了高亮度绿光的发射，并在多个方面超越了传统的绿光激光器。它不仅具有高光输出功率、高调制带宽和高能量转换效率等优点，还解决了电光转换效率低、功率小、使用寿命短、成本高等问题，更好地满足了水下光通信远距离通信等应用的需求。

附图说明

图1为实施例1中荧光转换器为透射式荧光转换器时，激光模组、荧光转换器和镜头组三者之间的工作原理图。

图2为实施例1中反射式荧光转换器的原理示意图。

图3为实施例1中透射式荧光转换器的原理示意图。

图4为实施例2中的荧光转换器安装在激光模组外部时，无线光通信绿光光源器件的装配体左视示意图。

图5为实施例3中水下无线光通信绿光光源器件的实物示意图。

图6为在不同距离下，实施例3中水下无线光通信绿光光源器件光斑尺寸的实际测量情况。

图7为实施例3中水下无线光通信绿光光源器件在水下的传播实况图。

图8是为实施例3中水下无线光通信绿光光源器件应用于水下无线光通信系统中的应用场景图。

图9为实施例3中水下无线光通信绿光光源器件在无线光通信系统中的实际应用情况图。

图10为通过串口助手界面展示了实施例3中水下无线光通信绿光光源器件在无线光通信系统中发射的信号。

图11为使用虚拟示波器捕获的实施例3中水下无线光通信绿光光源器件在无线光通信系统中传输信号的波形图。

图12为图4中无线光通信绿光光源器件去掉器件外壳后的装配体右视示意图。

图中标记：1、激光模组；2、荧光转换器；3、镜头组；4、散热装置；5、透镜底座；6、器件底座；7、器件外壳；8、发射端计算机；9、发射端单片机；10、发射端电源；11、Bias-T偏置器；12、实施例3的水下无线光通信绿光光源器件；13、接收端包含光电探测器；14、接收端电源；15、接收端单片机；16、接收端计算机；201、导热基板；202、第一荧光转换材料；301、透明导热基板；302、第二荧光转换材料。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供了一种水下无线光通信绿光光源器件，包括：

激光模组1，所述激光模组1用于产生蓝光激光；荧光转换器2，所述荧光转换器2用于将所述蓝光激光转换为绿光荧光；以及镜头组3，所述镜头组3用于对所述荧光转换器输出的绿光荧光进行光束聚焦与准直，如图1所示，图1中展示的为荧光转换器2为透射式荧光转换器时，激光模组1、荧光转换器2和镜头组3三者之间的工作原理图；

所述激光模组1包含一个或多个蓝光激光二极管，其发射的主波长位于420～480纳米之间。

所述荧光转换器2，安装在激光模组1内部或者外部，激光模组1发射出蓝光激光，荧光转换器2能够吸收所述蓝光激光，并将其转化成波长范围位于480～800纳米的可见光，荧光转换器的发射光的主波长为绿光。所述荧光转换器2中使用的荧光材料为荧光陶瓷、荧光薄膜或荧光薄膜与导热基板的复合构件。所述荧光转换器2可以为反射式荧光转换器，如图2所示，由导热基板201和第一荧光转换材料202组成，二者通过导热胶紧密结合，导热基板201采用铜、铝等高导热材料制成；而第一荧光转换材料202则为荧光陶瓷或荧光薄膜复合材料；所述荧光转换器2也可以为透射式荧光转换器，如图3所示，由透明导热基板301和第二荧光转换材料302组成，两者之间通过导热胶连接；透明导热基板301可以是透明的单晶基板或透明的金刚石，第二荧光转换材料302包括透明荧光陶瓷，或是荧光粉与无机胶、玻璃粉混合而成的荧光薄膜复合材料。所述镜头组3为透镜、棱镜、反光碗中的一个或多个的组合体。

荧光转换器2的安装位置可灵活可变，可安装在激光模组1内部或者外部，安装在外部时，可以通过螺钉安装在激光模组1的顶部，也可以安装在激光模组1的两侧，两侧中一侧靠近镜头组3，另一侧远离镜头组3，不管是安装在内部或者外部只要蓝光激光能照射到荧光转换器2就行；

在工作时，激光模组1发射出的蓝光激光照射在荧光转换器2一侧，荧光转换器2吸收蓝光激光并转换为绿光，蓝光激光的入射角度自由，若蓝光入射端与转换后的绿光主要发射端在同侧为反射式荧光转换器；若蓝光入射端与转换后的绿光主要发射端在异侧则为透射式荧光转换器；转换后的绿光荧光再经过镜头组3进行准直。

实施例2

如图4和图12所示，本实施例提供了一种水下无线光通信绿光光源器件，包括：

激光模组1，所述激光模组1用于产生蓝光激光；所述激光模组1固定在散热装置4上，采用三颗日亚NDB7Y75蓝光激光二极管，工作波长在450-462纳米范围内，峰值波长为455纳米，具有3.0安培的工作电流、4伏特的工作电压和5瓦的输出光功率，其电光转换效率高达41.7％。激光模组1发出的蓝光经过斜方棱镜和匀光片后，投射到二向色片上，该二向色片能够反射大部分蓝光并透射绿光。蓝光经二向色片反射后，穿过平凸透镜，在荧光转换器2上汇聚成一个焦点。

荧光转换器2，所述荧光转换器2安装在激光模组1外部用于将所述蓝光激光转换为绿光荧光；所述荧光转换器2为反射式荧光转换器，由荧光转换材料、铝制导热基板和导热硅胶组成，荧光转换材料、铝制导热基板通过导热硅胶紧密结合。其中，荧光转换材料采用发光饱和阈值为32.96瓦/平方毫米的LuAG:Ce荧光陶瓷，输出绿光光通量高达4720流明，流明效率286流明/瓦，光转换效率为61.6％。在598开尔文时，其发光强度仍能维持室温下的89％，可在高功率蓝光激光激发下稳定输出10.16瓦的绿光。

镜头组3，所述镜头组3用于对所述荧光转换器2输出的绿光荧光进行光束聚焦与准直；镜头组3包含一枚直径为100毫米的双凸透镜和一枚直径为92毫米的平凸透镜，两者焦点在同一水平线上；透镜底座5包括第一透镜底座和第二透镜底座，直径为100毫米的双凸透镜安装在第一透镜底座上，直径为92毫米的平凸透镜安装在第二透镜底座上，直径为92毫米的平凸透镜更靠近激光模组1；第一透镜底座与器件底座6通过导轨凹槽实现间隙配合，第二透镜底座与器件底座6通过导轨凹槽实现间隙配合，便于前后移动以进行调焦。激光模组1的发射光中心与镜头组3的焦点在同一轴线上，通过镜头组3的透镜移动实现调焦，将荧光转换器2发射的绿光收束为准直光线，以实现远距离传播。

散热装置4，所述散热装置4用于对激光模组1和荧光转换器2进行散热；散热装置4安装在器件底座6上，由铝制支架和边长为40毫米的散热风扇组成，散热风扇通过螺丝安装在铝制支架上，两者安装后，再使用螺丝将两者固定在激光模组1下部，确保激光模组1和荧光转换器2在工作时保持适当的温度。

器件外壳7固定在器件底座6上，激光模组1、荧光转换器2、镜头组3、散热装置4、透镜底座5和器件底座6位于器件外壳7内部，器件外壳7对内部构件起到保护与支撑作用；器件外壳7正面开有直径为100毫米的圆孔用于导光，第一透镜底座比第二透镜底座更靠近圆孔；器件外壳7侧面设有散热口，器件外壳7尾部为散热风扇预留开口。

实施例3

将实施例2中的水下无线光通信绿光光源器件中的荧光转换器2安装在激光模组1内部后的水下无线光通信绿光光源器件的实物示意图如图5所示，实物示意图展示了器件的内部结构和点亮时的外部状态。

表1为本实施例一种水下无线光通信绿光光源器件的发光性能。本实施例中的光源器件的电光转换效率高达25.7％，远高于商用绿光激光器(约10％)，绿光最大输出功率为4.17瓦，能够支持水下无线光通信系统的远距离传输。此外，该光源器件的调制带宽为3.45兆赫兹，可适用于水下无线光通信系统的文本信息传输。

图6展示了本实施例的光源器件在5米、10米、50米处光斑尺寸测量实况图。表2为本实施例一种水下无线光通信绿光光源器件在空气中不同距离测试的光学性能数据。在初始位置的中心照度高达230600勒克斯，传输5米后衰减了89％，光斑尺寸扩展了3.8倍，这说明光在空气中传播时散射作用较强烈。

传输50米后的照度为351.4勒克斯，光斑直径约2.3米，全散射角约为4.6°。

将光源器件器置于50米标准游泳池中，图7为光源器件在水下传播实况图，并测试了光源器件在水下环境不同距离的照度，测试结果如表3所示。经测试，当光源器件输入电流低至仅50毫安培时，光电探测器便能精准检测到光信号，此时光源照度达到15.66勒克斯，说明探测器上的发光二极管受这一阈值照度的光辐照时，即能迅速感应到并将其有效转化为电流，因此将15.66勒克斯定义为光电探测器感应的的阈值照度。光源器件在水下传输50米处的照度仍有86.99勒克斯，受条件限制无法进行更长距离的测试，可以认为实际传输距离在50米以上。

实施例4

一种水下无线光通信绿光光源器件的应用，其应用在水下无线光通信系统中，与电子元器件耦合，使发射的绿光荧光被调制，通过绿光荧光实现信息的发射与接收。其光源光输出功率4.17瓦，电光转换效率为25.7％，当调制带宽为3.45兆赫兹。

图8展示了本实施例在水下无线光通信系统中的应用示意图，系统包含发射端和接收端，其中发射端包含发射端计算机8、发射端单片机9、发射端电源10、Bias-T偏置器11以及实施例2的水下无线光通信绿光光源器件12；接收端包含光电探测器13、接收端电源14、接收端单片机15和接收端计算机16。在发射端，通过发射端计算机8发送数据，经过发射端单片机9的PWM编码后，通过Bias-T偏置器11加载到水下无线光通信绿光光源器件12上，驱动其发射含调制信号的绿光，实现文本信息的无线传输。

在接收端，稳定的偏置电压(约10伏特)由接收端电源14提供，用以驱动光电探测器13。该探测器负责接收绿光信号，并将其转化为电信号输入至接收端单片机15。接收端单片机15随后对其电信号进行解码处理，并将解码后的数据按串口协议转换为串行格式。最终，通过USART接口，解码数据被高效地传输至接收端计算机16，完成整个数据传输流程。

图9直观地展示了本实施例中一种水下无线光通信绿光光源器件在无线光通信系统中的实际应用。通过发射绿光信号，文本信息得以有效传输，在距离3米的塑料隔板上，本发明的光源器件能以肉眼难以分辨的频率明暗闪烁，进行信息的传输。

在图9中，左侧为发射端计算机8，其屏幕上的串口助手XCOM V2.6界面显示了发送信息的全过程，右侧是恒电流驱动的水下无线光通信绿光光源器件12。计算机发送文本信息，由STM32单片机接收后进行编码处理生成字节信号，并转换为随信号变化的电流，通过驱动电路控制光源器件的输出光功率随电流变化，从而实现信息的绿光调制并发射至自由空间中。

如图10所示，串口助手XCOM V2.6界面清晰地显示了已成功发送的信号，包括从数字1到10的总计10个数据，这一界面直观地验证了本发明在数据传输方面的有效性和准确性。

图11展示了使用虚拟示波器测试得到的信号发射波形图。从图中可以看出，波形完整且高低电平信号均能实现稳定的输出，这进一步验证了本发明在信号发射方面的可靠性和稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下无线光通信绿光光源器件，其特征在于，包括：

激光模组，所述激光模组用于产生蓝光激光；

荧光转换器，所述荧光转换器用于将所述蓝光激光转换为绿光荧光；以及

镜头组，所述镜头组用于对所述荧光转换器输出的绿光荧光进行光束聚焦与准直。

2.根据权利要求1所述的水下无线光通信绿光光源器件，其特征在于，所述激光模组包含一个或多个蓝光激光二极管，其发射的主波长位于420～480纳米之间。

3.根据权利要求1所述的水下无线光通信绿光光源器件，其特征在于，所述荧光转换器，能够吸收所述蓝光激光，并将其转化成波长范围位于480～800纳米的可见光，荧光转换器的发射光的主波长为绿光。

4.根据权利要求1所述的水下无线光通信绿光光源器件，其特征在于，所述荧光转换器为透射式荧光转换器或反射式荧光转换器。

5.根据权利要求1所述的水下无线光通信绿光光源器件，其特征在于，所述荧光转换器中使用的荧光材料为荧光陶瓷、荧光薄膜或荧光薄膜与导热基板的复合构件。

6.根据权利要求4所述的水下无线光通信绿光光源器件，其特征在于，所述反射式荧光转换器包括导热基板和第一荧光转换材料，导热基板与第一荧光转换材料之间通过导热胶连接；导热基板采用高导热材料，第一荧光转换材料为荧光陶瓷或荧光薄膜复合材料。

7.根据权利要求4所述的水下无线光通信绿光光源器件，其特征在于，所述透射式荧光转换器包括透明导热基板和第二荧光转换材料，两者之间通过导热胶连接；透明导热基板为透明的单晶基板或透明的金刚石；第二荧光转换材料为透明荧光陶瓷或荧光薄膜复合材料。

8.根据权利要求1所述的水下无线光通信绿光光源器件，其特征在于，所述镜头组为透镜、棱镜、反光碗中的一个或多个的组合体，激光模组的发射光中心与镜头组的焦点在同一轴线上，通过镜头组的移动实现调焦，将荧光转换器发射的绿光收束为准直光线，以实现远距离传播。

9.权利要求1-8中任一项水下无线光通信绿光光源器件的应用，其特征在于，应用在水下无线光通信系统中，与电子元器件耦合，使发射的绿光荧光被调制，通过绿光荧光实现信息的发射与接收。

10.根据权利要求9所述的水下无线光通信绿光光源器件的应用，其特征在于，其光源光输出功率大于1毫瓦，光通量大于100流明，电光转换效率大于1％，调制带宽大于1千赫兹。