一种可实现白光输出的激光器的制造方法
【专利摘要】本专利公开了一种可实现红绿蓝混合白光输出激光器的阶梯层式结构。该结构包括光纤耦合输出红光激光器，光纤耦合输出绿光激光器和光纤耦合输出蓝光激光器，以及光纤合束结构，散热装置和供电设备。红绿蓝激光器阶梯分层摆放成为阵列，统一放置在机架内，整体供电，配有散热装置，每个激光器经光纤耦合输出，再经光纤合束器最终合为一束白光输出。此结构设计可实现红光、绿光和蓝光统一管理的紧凑阶梯层式高功率白光激光器。本专利提出针对这一紧凑光纤合束器耦合输出的高功率激光器的独特，新颖的阶梯层式统一管理结构设计。
【专利说明】—种可实现白光输出的激光器
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光技术，光纤耦合合束高功率激光器领域，特别涉及到紧凑阶梯层式高功率激光器的光、电和热统一管理结构设计。
【背景技术】
[0002]随着科学技术和生产力的不断发展，高功率激光器的市场和应用领域日益扩大。在激光器领域，目前获得高功率激光输出的成本比较高，结构比较复杂，因为缺乏有效的热管理方式，而导致激光器寿命缩短的情况比比皆是。而且后期维护成本较高，这些问题使得激光器的广泛应用受到遏制。在对可见光的需求领域，特别是激光显示领域，如激光影院和大型激光户外显示,对高功率白光激光器的需求十分迫切。
[0003]采用红绿蓝三色激光合束的方案获得白光激光输出是目前比较有效，性价比较高的实现方式。随着各领域对不同功率白光激光输出的需求日益增加，高效，低成本的白光激光器热管理结构设计已成为迫在眉睫的议题。本专利专门针对红绿蓝三色激光合束，这一实现方式做了结构设计，以满足激光显示，生物医疗，医药化工，物理化学科研以及军事航空，航天等领域对白光激光的广泛需求。
【发明内容】
[0004]本发明提出一种高效，紧凑，低成本的阶梯层式高功率白光激光器结构设计。本发明大大降低了高功率白光激光器的设计，制造和维护成本。结构紧凑，简单，有效的解决了白光激光器的核心问题 ，即光、电和热统一管理问题。
[0005]本发明提出的紧凑阶梯层式高功率白光激光器包括光纤耦合输出红光半导体激光器，光纤耦合输出绿光固体激光器和光纤耦合输出半导体蓝光激光器，以及光纤合束结构，散热装置和供电设备。
[0006]上述技术方案中，每个激光器的输出光经稱合进入一根光纤，再通过捆扎或熔接的方式，经光合束器最终合为一束光输出，此汇聚方式可在很大程度上实现来自不同激光器的光束的充分匀光，消除激光散斑。
[0007]上述技术方案中，红绿蓝激光器的光纤根据红，绿和蓝三种颜色不同，采用分别捆扎或熔接的合束方式做第一级合束，即红，绿和蓝各一束。
[0008]上述技术方案中，红绿蓝激光器的第一级合束光纤采用捆扎或熔接的合束方式再合为一束。
[0009]上述技术方案中，红绿蓝激光器采用阶梯层式阵列热管理结构组合放置，摆放的m*n (m≤1，η≤I)阵列可设计为3*7，3*19，3*37等，要依据对白光的不同要求，给出不同的摆放设计。
[0010]上述技术方案中，红绿蓝每种颜色的激光器输出的光由光电探测器监控，并通过自动功率反馈方式(APC)控制红绿蓝每种颜色的激光器输出，以实现功率输出的稳定性管理。[0011]上述技术方案中，把低功率输出的红绿蓝激光器，如500mW和IOOOmW等，采用阶梯多层紧密放置，紧凑，简单的组合实现百瓦及以上的高功率白光输出。
[0012]上述技术方案中，红绿蓝每种颜色的激光器分别采用串联，并联或串并联结合的方式供电。
[0013]上述技术方案中，散热装置有两种实现方式，第一种:散热装置对每个绿光激光器采用半导体制冷片结合温度传感器等方式实现精确控温，绿光激光器和半导体制冷片的热量传递到散热鳍片上，热量通过风扇产生的气流被带走，实现散热；而对红光和蓝光激光器采用非精确控温方式，它们产生的热量通过真空腔均热板，热管，液体、气体冷却板和微通道等方式传递到散热鳍片上，热量通过风扇产生的气流被带走，实现散热。第二种:散热装置对每个红，绿和蓝光激光器采用半导体制冷片结合温度传感器等方式实现精确控温，所有激光器和半导体制冷片的热量传递到散热鳍片上，热量通过风扇产生的气流被带走，实现散热。
[0014]本专利提出的可实现光、电和热统一管理的紧凑阶梯层式高功率白光激光器设计，可实现大功率，低成本规模化的白光激光器生产。红绿蓝每种颜色的激光器分别采用串联，并联，串并联结合的连接方式，不同的连接方式可实现低电流工作，避免大电流电路的设计和制作，降低了成本，提高了实用性；红绿蓝输出光可实现单色光的输出功率管理；本专利提出的紧凑阶梯层式热管理结构方案，大大降低了热管理成本，优化了热空间分布，使空间立体热量平面化，降低了热密度，分散了热重心。总体上，本专利在很大程度上有效地解决了高功率白光激光器高效，大功率输出难题和光、电和热统一管理问题。
[0015]紧凑阶梯层式阵列合束结构不仅可以使单点低功率整合为多点高功率成为可能，降低了成本，提高了性能方面的转换效率和生产效率，而且因为结合了若干个独立红绿蓝激光器，也使组装，维护更加方便，制造和维修成本低，采用本专利所述方法生产的激光器，如单管出问题，可随时更换，不必更换整体，只需维修出问题的单光束部件，从而节省成本，降低风险。使材料成本和投资风险多点化，平均化。
[0016]本专利是实现大功率，低成本白光激光器规模化生产的有效热管理设计，在激光显示，生物医疗，医药化工，物理化学科研以及军事航空，航天等领域有着广泛的应用前景和市场价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]以下结合附图来详细说明本发明的实施例，其中:
[0018]图1是一台紧凑阶梯层式高功率白光激光器的正面图。
[0019]图2带光纤耦合输出的红光激光器合束分光正面图，此图说明的方式不限于红光。
[0020]图面说明，如下图所示:
[0021]1.带光纤耦合输出的绿光激光器；
[0022]2.带光纤耦合输出的蓝光激光器；
[0023]3.带光纤耦合输出的红光激光器；
[0024]4.合束器；
[0025]5.光电探测器；[0026]6.光纤；
[0027]7.热沉；
[0028]8.机架；
[0029]9.散热鳍片；
[0030]10.风扇；
[0031]11.驱动电源。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本发明进行详细的解释和说明。
[0033]图1是一台紧凑阶梯层式高功率白光激光器的正面图。包括多个绿光激光器1，多个蓝光激光器2，多个红光激光器3。绿光激光器输出功率可为300 mff, 500 mff, IOOOmff和1500mW等，但不限于此。蓝光激光器输出功率可为IOOOmW和1600 mW等，但不限于此。红光激光器输出功率可为500 mW和1000 mW等，但不限于此。带光纤耦合输出的绿光激光器1，蓝光激光器2和红光激光器3阶梯层式置于热沉7上，固定方式可为导热胶，银胶等胶粘，共晶焊接或其他焊接方式，螺丝固定，但不限于此。摆放为m*n I, η > I)阵列，阵列可设计为3*7，3*19，3*37等，但不限于此。带光纤耦合输出的绿激光器I间距离可为Imm, 2 mm或其他尺寸,但不限于此；带光纤I禹合输出的蓝和红激光器2, 3也如此。输出光经光纤6通过捆扎或熔接的方式，但不限于此，到合束器4，红绿蓝每种颜色的激光输出分别汇聚成的一束光都可设有光电探测器5，将部分输出光作为反馈信号发送给电源控制器，集中控制各种颜色功率输出的稳定性，但不限于此。各排输出光经光纤6通过捆扎或熔接的方式，但不限于此，最终汇聚为一束，此汇聚方式可在很大程度上消除激光散斑。整套设备统一放置在机架8内，整体供电。绿光激光器I，蓝光激光器2和红光激光器3的供电方式分别可为串、并联任意组合，如所有绿光激光器I间采用串(并)联方式供电；但不限于此。激光器配有散热装置，散热装置有两种实现方式，第一种:散热装置对每个绿光激光器I采用半导体制冷片结合温度传感器等方式，但不限于此，实现精确控温，绿光激光器I和半导体制冷片的热量传递到散热鳍片9上，散热鳍片9的材质为高导热材料，可为铝，不锈钢，黄铜和紫铜等，但不限于此。热量通过风扇10产生的气流被带走，但不限于此，实现散热；而对蓝光激光器2和红光激光器3采用非精确控温方式，它们产生的热量通过真空腔均热板，热管，液体、气体冷却板和微通道等方式，但不限于此，传递到散热鳍片9上，热量通过风扇10产生的气流被带走，但不限于此，实现散热。该方式，由于温度稍微不同，各红光和蓝光激光器的波长稍微不同，这有利于消散斑。第二种:散热装置对每个绿光激光器I，蓝光激光器2和红光激光器3采用半导体制冷片结合温度传感器等方式实现精确控温，但不限于此，所有激光器和半导体制冷片的热量传递到散热鳍片9上，热量通过风扇10产生的气流被带走，但不限于此，实现散热。
[0034]图2是带光纤耦合输出的红光激光器合束分光正面图，此图说明的方式不限于红光。此图为了说明如下方式:分别由设置在红绿蓝每种颜色光的光纤合束器(权利要求6-9)的一输入端口的光电探测器5，通过分别监控红绿蓝每种颜色光的总输出功率实现对功率的控制。图中光电探测器5的光信号来自光纤合束器4的输入端，光电探测器5将收集到的红绿蓝每种颜色光的信号反馈给驱动电源11，实现APC控制，集中控制各种颜色功率输出的稳定性，但不限于此。
[0035]需要说明的是，以上附图及实施例说明仅用以说明本发明的可实现光、电和热统一管理的紧凑阶梯层式高功率白光激光器的管理结构设计，但非限于此。
[0036]需要说明的是，本发明所描述的由红绿蓝激光器组合而成的白光激光器仅为说明本发明的设计思想，但不限于此，还包括其他波长组合的白光激光器。
[0037]需要说明的是，本发明设计可用于高功率激光器的光、电和热统一管理，如红，绿和蓝等激光器，但不限于此。
[0038]任何对本发明的修改和变通，都不能脱离本发明的设计思想内涵，都应包含在本发明的权利要求范围内。
【权利要求】
1.一种可实现白光输出的激光器，其特征在于，该结构包括光纤耦合输出红光激光器，光纤耦合输出绿光激光器和光纤耦合输出蓝光激光器，以及光纤合束装置，散热装置和供电设备，每个红绿蓝激光器的输出光经聚焦镜耦合进入一根光纤，光纤耦合输出的红绿蓝激光器，再经光纤合束装置，最终合为一束白光输出。
2.根据权利要求1所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，每个红绿蓝激光器的输出光分别经聚焦镜耦合进入一根光纤。
3.根据权利要求1所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，光纤I禹合输出的红绿蓝激光器，再经光纤合束装置，最终合为一束白光输出。
4.根据权利要求3所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，红绿蓝激光器的所有光纤米用捆扎的合束方式合为一束。
5.根据权利要求3所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，红绿蓝激光器的所有光纤采用熔接到一根具有一定长度的光纤，经光纤匀光合束后合为一束。
6.根据权利要求3所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，红绿蓝激光器的光纤根据红，绿和蓝三种颜色不同采用分别捆扎的合束方式做第一级合束，即红，绿和蓝各一束。
7.根据权利要求3所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，红绿蓝激光器的光纤根据红，绿和蓝三种颜色不同采用分别熔接到一根光纤的合束方式做第一级合束，即红，绿和蓝各一束。
8.根据权利要求3所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，将权利要求6或权利要求7中所制成的红绿蓝激光器的第一级合束光纤采用捆扎的合束方式再合为一束，实现白光输出。
9.根据权利要求3所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，将权利要求6或权利要求7中所制成的红绿蓝激光器的第一级合束光纤采用熔接到一根光纤的合束方式再合为一束，实现白光输出。
10.根据权利要求1所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，红绿蓝激光器采用阶梯层式阵列热管理结构组合放置，摆放为m*n (m≥1，η≥I)阵列。
11.根据权利要求1所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，红绿蓝激光器可根据散热特性和热分布特性安排摆放位置，即可以穿插摆放。
12.根据权利要求1所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，紧凑阶梯层式高功率激光器的散热装置由导热板，散热鳍片及风扇组成，并配于各层激光器的背部。
13.根据权利要求1所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，紧凑阶梯层式高功率激光器的散热装置由导热板，散热鳍片及风扇组成，并配于各层激光器的上部或下部，左侧或右侧。
14.根据权利要求1所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，红绿蓝每种颜色的激光器的电流，通过自动功率反馈方式控制，以实现功率输出的稳定性管理。
15.根据权利要求14所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，分别由设置在红绿蓝每种颜色光的光纤合束器的输入端口的光电探测器，通过监控并反馈红绿蓝每种颜色光的总输出功率实现自动功率反馈控制。
16.根据权利要求1所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，把低功率输出的红绿蓝激光器采用阶梯多层紧密放置，组合实现高功率输出。
17.根据权利要求1所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，红绿蓝每种颜色的激光器分别采用串联，并联或串并联结合的方式供电。
18.根据权利要求12或13所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，其散热装置对每个绿光激光器采用半导体制冷片结合温度传感器等方式实现精确控温，绿光激光器和半导体制冷片的热量传递到散热鳍片上，热量通过风扇产生的气流被带走，实现散热；而对红光和蓝光激光器采用非精确控温方式，它们产生的热量通过真空腔均热板，热管，液体、气体冷却板和微通道等方式传递到散热鳍片上，热量通过风扇产生的气流被带走，实现散热。
19.根据权利要求12或13所述的可实现白光输出的激光器，其特征在于，其散热装置对每个红，绿和蓝光激光器采用半导体制冷片结合温度传感器等方式实现精确控温，所有激光器和半导体 制冷片的热量传递到散热鳍片上，热量通过风扇产生的气流被带走，实现散热。
【文档编号】H01S3/23GK203813199SQ201420062642
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年2月12日 优先权日:2014年2月12日
【发明者】路洋, 甘毅, 苏红平, 徐长青 申请人:南京长青激光科技有限责任公司