专利名称:激光超高功率照明灯的制作方法
本发明属于激光技术和光学工程领域。
本发明是一种利用人眼的暂留视觉以频闪的高峰值功率的红、绿、蓝三色脉冲激光混合成白光的高功率照明装置。
已有的“激光照明技术”是指军事上用不可见的红外激光照射目标供激光制导武器攻击，或照射小面积的地面、水下等目标供侦察、监视之用;已有的用激光作光源的高速摄影是对个别小体积样品进行短时间的频闪照明技术;已有的“激光灯塔”用小功率激光，仅仅起着为船舶显示方位的作用。
本发明与之截然不同，其目的是提出一种前所未有的低功耗超大功率(1012-1013瓦)(不违反能量守恒定理)照明灯的设计方案，实行本发明便可以几百千瓦的功耗“照亮”(使受照区有相当高的照度)几万至几百万平方公里的区域，取代该区域上几乎一切照明装置和附属装置，节省数十亿元投资和几百万千瓦的电力，使之成为“不夜区”。
本发明中的装置由三大部分组成一、激光器部分。二、扩散照明部分。三、电源与控制部分。
激光器部分(参见附图1)A)一台红宝石激光器(组)。由于激光技术十分年轻，功率能量等水平发展很快，各国的水平又有差异，综合近期文献的报道，建议使用Q开关，一级和多级放大技术，锁模技术和高重复脉冲激光器的冷却技术及它们结合成的以下几种激光器
①高重复频率高峰值功率的Q开关红宝石脉冲激光器，重复频率n要几千Hz，峰值功率PM要109瓦(GW)以上，而脉冲的波形无关紧要，每一脉冲包含的能量可在焦耳级以下，重要的是PM，即脉冲能量与脉冲持续时间的比值。关于此类激光器已有报道，见《国外激光》杂志72第3期27页《脉冲重复率达2000Hz的红宝石激光系统》一文报道的激光器“可产生一列Q开关红宝石激光脉冲，每个脉冲4-10焦耳，相当于2-5千兆瓦(GW)的峰值功率，两脉冲间的时间间隔从0.5毫秒到1秒间可任意调节”。另据79版的《激光及其应用》一书130页说“红宝石激光器的脉冲最高峰值功率为几千兆瓦，每秒5000次脉冲。”
②据科学出版社81年《固体激光》一书104页说，红宝石电光调Q激光器的PM为几百至千兆瓦(每秒10次脉冲以下)用这样的或类似的数根分别泵浦的红宝石棒组成一激光器(组)，几根棒交替发出互相之间的时间间隔均匀的脉冲，几束光通过半透镜合为一束光使PM≥109W，总的脉冲重复率n≥n0赫，(n0为根据人眼的暂留视觉“感到”频闪的光是连续发光时的最小频闪频率，据电影或电视知识可知n0≥24Hz)
③多根红宝石棒组成的锁模脉冲激光器(组)、PM≥1012W，用类似②中的办法分别泵浦交替发出脉冲，使总的重复率达n0Hz以上。
④高重复率(n为103Hz)高PM(1012W)的锁模或锁模放大红宝石脉冲激光器(在本人查阅的有限文献中暂无此类激光器的报导，但从发展来看，不久的将来会出现此种激光器的。)
不论使用上述的哪一种红宝石激光器，都要求其PM＞109W总n＞n0，它发出的6900
的红光通过可变衰减器后射向一块合光棱镜。
(B)一台掺钕钇铝石榴石(Nd∶yAG)激光器。它也必须发出每秒n0次以上的重复脉冲，其PM须＞107W，基于文献报道，可用以下几种Nd∶yAG激光器。
①n＞103Hz，PM＞107W的调Q放大脉冲型。
②n略小于n0，PM＞1010W的锁模脉冲型，用几根yAG棒，分别泵浦交错发出脉冲，使总的n＞n0。
③n＞103Hz，PM＞1010W的锁模脉冲型。79年出版的《激光及其应用》一书133页说，yAG激光器的脉冲PM＝几百GW，最高n＝50000Hz。可见此种水平已经达到。
这种激光器发出1.06μ和0.914μ的两条最强谱线(见天津大学《激光技术》43页)经倍频后分别变为5300
的绿光和4570
的蓝光，(脉冲的PM越高倍频转换效率也越高)它们经分光棱镜分开后分别通过各自的光束可变衰减器，最后射到合光棱镜上和红宝石的红光合为一束白光射出。
上述两种激光器的n必须相等，所有脉冲必须同步，三色光的PM要有一定比例(具体比例见第二章)三个可变衰减器可按需要各自平滑地衰减光能。
光束扩散部分(参见附图二)
本部分由三角支架，固定圆筒，转动筒及光学元件，电机和伞齿轮几部分组成。三角架支承上述各部件，其下部固定一棱镜，将从激光器射来的白光反射入转动筒内;三角架上连接一固定圆筒，筒内有一同心的转动筒以轴承和其内孔配合，固定筒一侧有一支座，座上一伺服电机，机轴上连一伞齿轮，它伸进固定筒侧面的与电机轴同心的圆孔中，与转动圆筒外壁紧配合的另一伞齿轮啮合，电机带动伞齿轮使整个可转筒绕铅直轴转动。可转筒内有透镜组将入射光束适当扩束后射到一对柱面透镜组上，将光束变为矩形断面准直光束，最后射到一旋转曲面反射镜上，发射开来。
另外当激光器和本部分相距较远时，可令激光束从连接这两者间的光导管中传输，以减少受大气传输损失的影响。这两部分的激光束直径都不能太小，其一为防止损伤激光介质，二是为减少光束的衍射发射角。
电源及控制和辅助部分。
包括两台激光器(组)的同步脉冲电源，激光器冷却机构和Q开关，放大或锁模技术中用的机械或电光或染料装置，脉冲灯点火电源;三束光的可变衰减器的控制部分;光束扩散三角架上电机的同步脉冲电源等等。
当激光器发出高重复率脉冲时。为了照明广大区域，须将本发明中的全部设备装在受照中心附近的最高山顶、最高建筑物顶或专门的照明高塔上，使其附近无高大障碍遮挡光束(见附图三)，在离受照地面总平均高度为h的曲面反射镜上入射了一束矩形断面脉冲激光，经反射后向与Z轴成θ1到θ2角，在xoy面内圆心角为△φ的两相反方向发射于是地面上就有两块内径为r1外径为r2圆心角为△φ的部分圆环区域受到这脉冲的照射。其r1r2由图中的h，θ1θ2决定;令其中任一块叫“单位面积”，因为光束每转一周，“单位面积”上受到两次照射，故转筒，曲面镜和矩形光束的转速由下式决定
P＝ (n0)/2 (转/秒)-①n0的意义同第一章，
图三中△φ= (πn0)/(n) -②n-光脉冲的重复率。△φ由柱面透镜组决定的光束断面矩形的宽和曲面反射镜所决定。整个圆被分为 (2π)/(△φ) = (2n)/(n0) 份扇形“单位面积”，一个脉冲照亮两块互为180°的“单位面积”，由于光束转动，第二脉冲正好照射与之相邻的圆心角差为△φ的第二对“单位面积”……于是每对“单位面积”都依次受到脉冲照射，由于光束的不断脉冲和转动;其总效果为整个圆环区域都受到n0Hz的频闪扫描激光脉冲的照射了。
图2中曲面反射镜的母线方程由h、θ1θ2、r1r2和三种光在大气中的传输，光束的自然衍射发散来决定。代入具体的受照明区域的上述各参数后经计算机求出方程后制成。反射镜的作用一是扩散光束，二是使受照区域上有不同r不同θ角的各点受到尽可能相同照度的照射。
根据色度学原理(见国防工业出版社《彩色电视技术》26页)以红光1流明，绿光4.5907流明，蓝光0.0601流明相加配色可得白光(E)5.6508流明。本发明中的三色光(6900
，5300
和4570
)与彩色电视中的三基色7000
，5461
和4358
的波长稍有不同，但是“可选作基色的红、绿、蓝三色的种类是很多的，因为红、绿、蓝三词表示这三种彩色的波长范围，而不是在此范围内某一波长的彩色。例如，蓝色的波长范围从450-500毫微米，在这个范围内的任何波长对观察者来说都是呈现为蓝色的。红色和绿色也都存在同样情况“(同书21页)，可见用本装置中的三色光也可以组成近日光的标准白光(E)，在它的“照耀”下，所有物体都将呈现类似阳光下的相同颜色。
根据光度学原理(见母国光《光学》78年版第五章)光能量与光通量的关系为
1瓦＝685Φ(λ)流明……③
Φ(λ)为人眼对波长为λ的光的光见度函数值。对6900
的红光Φ(λ)＝0.0082，对绿光5300
Φ(λ)＝0.862对蓝光Φ(4570A)＝0.0534，代入③式可得
红光1瓦＝5.617流明。或1流明＝0.178瓦。
绿光1瓦＝590.47流明。或1流明＝1.694×10-3瓦
蓝光1瓦＝36.579流明。或1流明＝2.73×10-2瓦接第一章所说红光脉冲为109瓦＝5.617×109流明，为了混成白光(E)，按1∶4.5907∶0.0601的三色光通量比例，还需要绿光25.8×109流明＝4.3×107瓦，蓝光0.34×109流明＝9.3×106瓦，可见红光109瓦加绿光4.3×107瓦加蓝光9.3×106瓦相加混合可得约3.2×1010流明的白光(E)的光通量。这样的一个白光脉冲可使S10＝3.2×102平方公里(KM)2的面积上得到100勒克司的平均照度(1勒克司＝1流明/米2)(这是晴朗的夏日在采光良好的室内的照度)，或使S20＝4.6×102(KM)2的面积得到50lX的照度(在此照度下可以阅读和看清仪表读数)，或使S30＝1.6×103(KM)2面积得到20lX的照度(办公室工作所需的最小照度)。参见图3，每个脉冲照亮的两个“单位面积”是由半径为(r2-r1)，圆心角为△φ的部分圆环组成。它们每秒需照射n0次，故每秒n次脉冲(假设n＝2000Hz，n0＝25Hz)可照亮S1= (n)/(n0) S10＝25600(KM)2。或S2= (n)/(n0) S20=51200(KM)2。S3= (n)/(n0) -S30=1.28×105(KM)2的广大地区！(照度分别为100lX 50lX 20lX)，具体照照度视需要而定，可通过变换光束扩散曲面镜以改变r值而改变。由于激光在大气中的传输损失，(不同波长的光损失也不同)上面计算地区的照度会比计算值低，但也因为大气的散射和物体的漫反射，使得非直射区也有相当高的照度。
图1中光束衰减器的作用一是根据随昼夜，季节和气象条件而变化的照度变化的需要来增衰光强以满足人们的需要;二是适当调节三色光强比例使之混合后成为白光(E)。
第二种情况，当n略大于或等于n0，PM达1012瓦以上时，光束扩散部分作如下改动。①取消柱面透镜组，光束直接聚成圆柱体形状。②取消电机伞齿轮等转动部分，光束经反射后向圆心角为2π的方向射出(θ1θ2和情况一中类似)，一个脉冲照亮半径为r2的圆形地区(r1为几百米可忽略不计)。根据类似情况一中的计算，红光PM＝1012瓦，加绿光4.3×1010瓦，蓝光9.3×109瓦可得光通量3.2×1013流明的白光(E)，可使3.2×105(KM)2，6.4×105(KM)2和1.6×106(KM)2的巨大面积分别得到100，50和20Ix的照度。
第三种情况，对于不久会出现的高n高PM激光器，假设n＝2000Hz，PM＝1012瓦，那么综合情况一、二中的计算可知其光通量为1015流明量级，可使107(KM)2的广大地区得到100lx的照度，为了减小入射角度和大气传输损失，将这种激光灯装在同步卫星和同步人造行星上(参见图4)，它的激光器(组)、控制部分与地面的相似，用太阳能电池或核电源;有遥控装置。三光合为白光后经柱面透镜聚成狭长条光束经非球面透镜后射出，频闪的旋转激光可照亮几千万(KM)2的广大地区，(上述的非球面透镜应设计的使光能尽可能平均地照在上述面积上。)在赤道上空有三至六颗同步卫星，再有一颗公转周期与地球相同的同步人造行星用于照明有半年黑夜的高纬度地区，那么全球都将永无黑夜了！
这种卫星的实现并非遥远。设每个脉冲能量为1焦耳，持续时间为10-12秒，每秒103个脉冲则平均功率为103瓦级，设效率为2-3%(空间轨道上温度极低，激光器和灯都无须冷却，效率也较高)那么激光器耗电3.3×104瓦级，加上别的装置总的电功率约3.5×104瓦-这不比现有的通讯卫星耗电功率大。又因为本发明中用的不是那种庞大笨重的，每个脉冲几千、上万焦耳的用于聚变的多路多级放大的钕玻璃激光器组，而是两台中型的类似激光雷达中的激光器。而光学、电控等部分的体积、重量也不大，完全可装在不到十立方米的卫星空间内。可见，万事俱备，只欠高n高PM的红宝石脉冲激光器了。
一天24小时中，人类活动所需的照度-时间曲线见附图5最上一根，阳光提供的照度常因受云，阴雨和天黑而不能满足人类需要，为此人类耗用大量能源供给照明工具以弥补照度不足。50万年前用火照明，以后又有油灯，气灯，上世纪发明了电灯一直沿用至今，但一般电光源耗电大，光效低，亮度低，在能源电力不足的我国，不用说农村边远地区照明严重不足，就连城市也时有部分地区停电无灯的情况严重拖了四化后腿。本发明可用极小的相对功率取代几万，几百万平方公里面积上一切现有的，将要有的(如将要有照明的农村地区)和将来也不可能有照明的地区(如山岳、河流，水面上不可能装照明灯)的一切非特殊光源，千万倍地节省电能和设备费用;下面来估算一下费用的比较。
如前所述，本发明不用耗资几百万至上千万美元的那种用干聚变的巨型玻璃激光器，而是用类似激光雷达中的那种中型激光器，造价不超过105元，至于电光、电器、Q开关，放大，锁模，冷却、机械、控制等都是非高要求的中小型器件;可见整套装置估计造价为几十万元。两种激光器的效率从1-3%，如每秒103个含能1焦耳的脉冲，其平均功率不过几千瓦，耗电不到一百千瓦，其余部分用电不会超过十千瓦，总功率约一百多千瓦，每小时不过20多元电费。作为对比，看看常规照明所用的费用如何呢？在本装置可照明的104-106(KM)2的地区上，假设每平方公里500人，每人每晚用10瓦的电功率照明，那么这地区的5×106-5×108人每晚用5×104-5×106千瓦的电点灯;此外上述地区上所有路灯和机场、码头、车站，厂房，仓库的照明也需几十万千瓦的电力，总共需105-5×106千瓦，每小时照明电费从两万元到110万元之多！此外还需建几座百万千瓦级的电站、上千公里运煤铁路，几十万公里的高、低压输电线路、上万台变压器，几百万至上亿盏灯具……耗资不下几十亿元！
从另一角度算，上述广大地区如用普通光源全部照明其费用如何？见《电光源》一书76页。GGy1000型高压汞灯耗电功率为7.50安×220伏＝1650瓦，光通量5万流明，要提供1012-1014流明的光通量以使万到百万平方公里面积的照度为100lx，就要2×107-2×109盏这种灯，用3.3×107-3.3×109千瓦的功率，每小时7.3×106-7.3×108元电费。按每盏灯20元算要4亿到400亿元买灯，另要1010-1012瓦级的电站(全世界所有电站的总功率)，还需供、变电设备，总费用可达几千亿元！
可见本发明可以以几十万元代替百千亿元的基本投资，以每小时几十元代替几万元到上亿元的运行费用-这就是其巨大的经济效益！
图一是激光器组和控制部分的示意图，①为红宝石激光器(组)，②为Nd∶yAG激光器(组)、③为倍频晶体，④为分光棱镜，⑤为三种色光的反射棱镜，⑥为三种光的可变衰减器，⑦是合光棱镜，⑧为激光器的冷却系统;⑨是激光器和整个系统的电源和控制部分，⑩是引向光束扩散部分的电源线。
图二为光束扩散部分的剖视示意图。①为三角支架，②为连接在①上的固定圆筒，其中有上下轴承③支承着可转圆筒④，②的一侧焊一支架⑤，上有一伺服电机⑥，⑥带动一对啮合的伞齿轮⑦，被动轮连在可转圆筒④上，⑧是从控制系统来的电机电源线，从激光器组来的合成白光⑨射在棱镜⑩上被反射射到一对透镜组(11)上适当扩束后再射在柱面透镜组(12)上聚成矩形断面光束(13)，再射到曲面反射镜(14)上，被(14)反射后透过可转圆筒的透光部分(16)射出一束光(15)来，(17)为轴承盖板。
图3为光束扩散示意图。矩形断面激光束①射在曲面反射镜②上，反射成出射光束③，③射在一对圆心角为△φ，半径从r1到r2的“单位面积”⑤上，(其中④为一个“单位面积”。)
图4中①为地球，②为数颗同步照明卫星，③为一颗同步照明行星，④为地球公转平面，⑤是有半夜黑夜的高纬度地区。
图5横坐标为时间(以小时为单位)，纵坐标为照度LX;①为一昼夜24小时中人类活动所需要的照度变化曲线，②为阳光在晴天提供的照度变化曲线，③为阴雨天地面上的照度变化曲线。从图可见，下午约18点钟后，照度差逐渐加大，就要用电光源了即使在白天，也常因云层等遮挡而使照度不足;故要补充照明。
补正 85102745
文件名称 页 行 补正书 补正后
权利要求
书 1 3 “……红宝石激光器 “红宝石激光器(组)
和……” 和……”
权利要求
书 1 4 “光器组，光束扩散…” “光器(组)、光束
扩散……”
说明书 11 8 “……
是引向光束……” “⑩是引向光束…”
说明书 11 8 “……有上下轴承⑧支承” “……有上下轴承
③支承……”
权利要求
1、一种由红宝石激光器和掺钕钇铝石榴石(Nd∶yAG)激光器组、光束扩散部分、电源及控制三大部分组成的激光超高功率照明灯。其特征在于利用人眼的暂留视觉效应和激光器可重复地发出极高峰值功率脉冲并且激光的谱线很广的特点以大约一百千瓦的功率提供普遍电光源要用108-1012瓦的功率才能提供的1010-1015流明的白光(E)的光通量；对于人眼来说，这种频闪灯的照明效果在绝大多数情况下与连续光源的相同，它的光色很接近日光(这点是许多电光源所不及的)；上述的光通量可使104-107平方公里的广大地区得到20、50或100勒克司的照度；从而以几十万元的投资节约几百亿元的投资，以每小时几十元的运行费用节约每小时几万至几百万元的运行费用!
2、如权利要求
项1所述的激光灯，其激光器由高重复率n高峰值功率PM而且n相同，各脉冲同步的红宝石和yAG激光器组成。光束扩散部分由固定圆筒和三角架，可转圆筒和电机伞齿轮，聚光透镜和柱面透镜组、曲面反射镜等组成。
3、如权利要求
项1所述的激光灯，其激光器组由几根分别交错泵浦发光的，每根介质棒的n较低(约十次/秒以下)PM可达1012瓦的红宝石和yAG介质棒组成。其光束扩散部分类似于权利要求
项2中所述只是无柱面透镜组和电机伞齿轮等转动部分。
4、如权利要求
项1所述的激光灯，其中的红宝石激光器和yAG激光器的n可达103Hz，PM分别达1012瓦和1010瓦，这灯的所有三大部分都装在几颗同步人造卫星和同步人造行星上，最终可以照亮全球。
5、如权利要求
项1、2、3所述的激光灯，当激光器及控制、电源等部分因笨重或其它原因而距光束扩散部分较远时，两者之间由可减少光束在大气中传输损失的光导管连成而转输光束。
专利摘要
利用人眼的暂留视觉效应以两组同步的，脉冲重复频率从几十到几千赫，峰值功率为109到1012瓦的红宝石激光器的红光和Nd:yAG激光器经倍频后的绿、蓝光混合成白光(E)、后经光束扩散器变为矩形断面，经曲面镜反射到一对扇形区域，由于光束旋转和不断脉冲而照亮几百万平方公里的地区。这种灯装在几颗卫星上可照亮全球！从而节约亿万元的各种费用和电力能源。
文档编号F21K99/00GK85102745SQ85102745
公开日1986年10月8日 申请日期1985年4月7日
发明者田景华 申请人:田景华导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan