一种基于半导体激光合束技术的白光激光器的制造方法
【专利摘要】本发明一种基于半导体激光合束技术的白光激光器，属于激光合束技术领域。本发明采用先进的激光合束技术，使三种波长分别为450nm，520nm，650nm半导体激光经快轴准直、慢轴准直、在同一竖直方向沿同一方向传输，经消色差聚焦透镜聚焦到同一光斑，获得白光激光，后端可耦合进光纤或其他器件传输。采用光电探测器分别对三种波长激光进行检测，并转化成电信号，可传递给激光器驱动，通过调节每个波长单元激光光源，保证激光功率的稳定性以及三种波长激光混合比例的稳定性。这种结构的白光激光器，可应用于获得不同功率参数白光激光，广泛应用于无线激光通信、激光照明、激光成像、激光显示等领域。
【专利说明】
一种基于半导体激光合束技术的白光激光器
技术领域
[0001]本发明属于激光合束技术领域，特别是涉及到一种基于半导体激光合束技术的白光激光器。
【背景技术】
[0002]激光是继原子能、计算机、半导体之后人类又一重要发明，在20世纪60年代问世以来，早已在通信、医疗、加工等领域发挥越来越重要的作用。
[0003]传统激光应用行业，绝大多数是利用高单色性的特点，使用单色激光器作为光源，如医疗领域，针对不同病灶采用不同波长的单色激光，对症治疗，可达到良好的治疗效果；加工领域，利用金属吸收效率较高的1064nm近红外激光进行切割、打标等操作，达到加工效率高，质量好，节约能源的目的。
[0004]而在近年来新兴的无线激光通信、激光照明、激光成像、激光显示等的激光应用领域，单色激光的应用受到了很大限制。为拓展激光应用领域，充分利用激光高亮度等优点，科学家及工程师们已着手开发白激光光源。
[0005]在激光照明领域，美国亚利桑那州立大学实验表明，利用白光LED照明每瓦至多产生150流明，而白激光每瓦能产生400流明，另外利用白色激光还能带来比常规显示器颜色更鲜艳、对比度更高的显示器。在激光远距离夜视照明系统中，白光激光器照明也可以获得传统红外激光照明无法获得的彩色图像。
[0006]在无线激光通信领域，白色激光一个潜在应用是“L1-Fi”，即使用光把设备联网，它能比W1-Fi快10倍以上。而目前针对L1-Fi的研究采用的是LED光源，而采用白激光作为光源的L 1-F i将比LED快1倍以上。
[0007]由于激光固有属性和单色性的特点，白激光的研发一直少有突破。而近年来随着激光技术的发展和成熟，科学家和工程师们在白激光光源开发上逐步取得进展。
[0008]目前白激光的生成通常采用红、绿、蓝三基色波段激光按一定比例混合而成。美国在该领域处于领先地位，亚利桑那州立大学研制出一种新型的半导体纳米薄片，可同时发出红、绿、蓝三种波段激光，当三种激光相遇时，就出现白激光。但国内专家指出，该成果目前只处于实验室阶段，且同样属于三基色激光混合成白激光的方式。
[0009]在白激光研究领域，国内高校、研究所等科研单位以及一些企业单位也正在研发并取得一定成果。同样是将红、绿、蓝三种波段激光混合获得白激光，国内不同研究单位及企业采用了不同方式。
[0010]传统方式有采用三波长固体激光器混合，或采用一束单色激光栗浦混合染料输出红、绿、蓝三基色，并混合获得白光激光器。其特点是技术成熟，功率较高，但通常这种激光器尺寸较大，结构较复杂，且激光稳定性较差。
[0011]新型的方式有采用光纤合束的方式或光谱合束、偏振合束的半导体激光合束的方式将三基色激光混合获得白光激光器。与传统方式相比，新型的白光激光获得方式简化了激光器结构，更易实现白光激光器小型化，方便激光器在无线激光通信、激光成像、激光显示等领域的应用。但与传统技术相比，国内新型的白光激光获得技术处于起步阶段，有待进一步开发与优化。
[0012]我们采用不同于以上研发成果的技术和方式，基于半导体激光合束技术，采用一种新的半导体激光合束方式和结构，发明了一种新型半导体白光激光器。
【发明内容】
[0013]一种基于半导体激光合束技术的白光激光器，其特征是:包括阶梯型热沉、450nm半导体激光光源、450nm快轴准直透镜、450nm慢轴准直透镜、450nm反射镜、450nm分光镜、450nm探测器、520nm半导体激光光源、520nm快轴准直透镜、520nm慢轴准直透镜、520nm反射镜、520nm分光镜、520nm探测器、650nm半导体激光光源、650nm快轴准直透镜、650nm慢轴准直透镜、650nm反射镜、650nm分光镜、650nm探测器和消色差聚焦透镜，所述阶梯型热沉的上表面呈三层阶梯状结构，分别为最高阶梯层、中间阶梯层和最低阶梯层;所述最高阶梯层上依次固定安装有450nm半导体激光光源、450nm快轴准直透镜、450nm慢轴准直透镜、450nm分光镜、450nm探测器和450nm反射镜;所述中间阶梯层上依次固定安装有520nm半导体激光光源、520nm快轴准直透镜、520nm慢轴准直透镜、520nm分光镜、520nm探测器和520nm反射镜；所述最低阶梯层上依次固定安装有650nm半导体激光光源、650nm快轴准直透镜、650nm慢轴准直透镜、650nm分光镜、650nm探测器和650nm反射镜；
[0014]所述450nm半导体激光光源发射蓝色激光，经过450nm快轴准直透镜进行快轴准直，再经过450nm慢轴准直透镜进行慢轴准直，然后以45°入射角入射至450nm反射镜，光路方向改变90°，入射至消色差聚焦透镜;所述450nm分光镜固定安装在450nm慢轴准直透镜与450nm反射镜之间，450nm分光镜反射出的激光入射至450nm探测器;所述450nm探测器通过导线与激光驱动器连接；
[0015]所述520nm半导体激光光源发射绿色激光，经过520nm快轴准直透镜进行快轴准直，再经过520nm慢轴准直透镜进行慢轴准直，然后以45°入射角入射至520nm反射镜，光路方向改变90°，入射至消色差聚焦透镜;所述520nm分光镜固定安装在520nm慢轴准直透镜与520nm反射镜之间，520nm分光镜反射出的激光入射至520nm探测器;所述520nm探测器通过导线与激光驱动器连接；
[0016]所述650nm半导体激光光源发射红色激光，经过650nm快轴准直透镜进行快轴准直，再经过650nm慢轴准直透镜进行慢轴准直，然后以45°入射角入射至650nm反射镜，光路方向改变90°，入射至消色差聚焦透镜;所述650nm分光镜固定安装在650nm慢轴准直透镜与650nm反射镜之间，650nm分光镜反射出的激光入射至650nm探测器;所述650nm探测器通过导线与激光驱动器连接；
[0017]所述消色差聚焦透镜位于阶梯型热沉的一侧，消色差聚焦透镜将三种波长激光聚焦到同一光斑，混合成白光激光，并输出；所述激光驱动器分别通过导线与450nm半导体激光光源、520nm半导体激光光源以及650nm半导体激光光源连接。
[0018]所述入射至消色差聚焦透镜的三种波长激光在同一竖直平面沿同一方向传播。
[0019]所述中间阶梯层与最高阶梯层之间的高度差为1mm，中间阶梯层与最低阶梯层之间的高度差为1mm。
[0020]所述450nm快轴准直透镜、520nm快轴准直透镜和650nm快轴准直透镜均为截面为D形的非球面聚焦柱透镜。
[0021]所述450nm慢轴准直透镜、520nm慢轴准直透镜和650nm慢轴准直透镜均为截面为D形的球面聚焦柱透镜。
[0022]所述450nm反射镜、520nm反射镜和650nm反射镜均为平面反光镜。
[0023]所述450nm分光镜、520nm分光镜和650nm分光镜均为平板玻璃镜。
[0024]通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果:
[0025]本发明中的阶梯型热沉通过阶梯型结构优化设计，使波长分别为450nm、520nm、650nm的三束激光在同一竖直方向沿同一方向传播；消色差聚焦透镜，采用消色差设计，用于将三种波长激光聚焦于同一焦点，生成白光激光。通过本发明获得一种聚焦光斑很小的白光激光器，后端可耦合进光纤，或其他器件传输。
[0026]本发明设置的光电探测器，对每种波长激光功率的检测，并通过激光驱动器实时调节各波长激光功率，保证激光器运行的稳定性，同时也保证了各波长激光传输比例的稳定性。
[0027]本发明具有体积小、激光稳定性强、结构简单，易于维护的特点，能够获得不同功率参数的白光激光，可广泛应用于无线激光通信、激光照明、激光成像、激光显示等领域。
【附图说明】
[0028]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的说明:
[0029]图1为本发明一种基于半导体激光合束技术的白光激光器的结构示意图。
[0030]图2为本发明一种基于半导体激光合束技术的白光激光器中快轴准直示意图。
[0031]图3为本发明一种基于半导体激光合束技术的白光激光器中慢轴准直示意图。
[0032]图4为本发明一种基于半导体激光合束技术的白光激光器中阶梯型热沉
[0033]A-A方向的截面结构示意图。
[0034]图5为本发明一种基于半导体激光合束技术的白光激光器中经各自反射镜后三个波长的三束激光光斑截面示意图。
[0035]图中，1-阶梯型热沉、2-最高阶梯层、3-中间阶梯层、4-最低阶梯层、201-450nm半导体激光光源、202-450nm快轴准直透镜、203_450nm慢轴准直透镜、204_450nm反射镜、205-450nm分光镜、206-450nm探测器、301-520nm半导体激光光源、302-520nm快轴准直透镜、303-520nm慢轴准直透镜、304_520nm反射镜、305_520nm分光镜、306_520nm探测器、401-650nm半导体激光光源、402-650nm快轴准直透镜、403-650nm慢轴准直透镜、404-650nm反射镜、405_650nm分光镜、406_650nm探测器、5-消色差聚焦透镜。
【具体实施方式】
[0036]如图1所示，一种基于半导体激光合束技术的白光激光器，其特征是:包括阶梯型热沉l、450nm半导体激光光源201、450nm快轴准直透镜202、450nm慢轴准直透镜203、450nm反射镜204、450nm分光镜205、450nm探测器206、520nm半导体激光光源301、520nm快轴准直透镜302、520nm慢轴准直透镜303、520nm反射镜304、520nm分光镜305、520nm探测器306、650nm半导体激光光源401、650nm快轴准直透镜402、650nm慢轴准直透镜403、650nm反射镜404、650]11]1分光镜405、650111]1探测器406和消色差聚焦透镜50
[0037]所述阶梯型热沉I的上表面呈三层阶梯状结构，分别为最高阶梯层2、中间阶梯层3和最低阶梯层4;所述最高阶梯层2上依次固定安装有450nm半导体激光光源201、450nm快轴准直透镜202、450nm慢轴准直透镜203、450nm分光镜205、450nm探测器206和450nm反射镜204;所述中间阶梯层3上依次固定安装有520nm半导体激光光源301、520nm快轴准直透镜302、520nm慢轴准直透镜303、520nm分光镜305、520nm探测器306和520nm反射镜304;所述最低阶梯层4上依次固定安装有650nm半导体激光光源401、650nm快轴准直透镜402、650nm慢轴准直透镜403、650nm分光镜405、650nm探测器406和650nm反射镜404 ；
[0038]所述450nm半导体激光光源201、520nm半导体激光光源301、650nm半导体激光光源401分别输出450nm、520nm、650nm激光，分别为蓝、绿、红三基色激光，首先分别经过各自波长所述450nm快轴准直透镜202、520nm快轴准直透镜302、650nm快轴准直透镜402，进行快轴准直;再经过各自所述450nm慢轴准直透镜203、520nm慢轴准直透镜303、650nm慢轴准直透镜403，进行慢轴准直；以45°入射角入射各自所述450nm反射镜204、520nm反射镜304、650nm反射镜404，光路方向改变90°;通过所述阶梯型热沉I结构优化设计，使波长分别为450nm、520nm、650nm的三束激光在同一竖直方向沿同一方向传播;所述消色差聚焦透镜5在激光输出端，用于将三种波长激光聚焦到同一光斑，混合成白光激光;所述450nm分光镜205、520nm分光镜305、650nm分光镜405分别安装在各自波长所述450nm慢轴准直透镜203、520nm慢轴准直透镜303、650nm慢轴准直透镜403与所述450nm反射镜204、520nm反射镜304、650nm反射镜404之间，用于改变一下部分激光传播方向；经所述450nm分光镜205、520nm分光镜305、650nm分光镜405改变方向的一小部分激光分别照射到各自所述450nm探测器206、520nm探测器306、650nm探测器406上，所述450nm探测器206、520nm探测器306、650nm探测器406可将各自波长激光功率转化成电信号，通过导线传递给激光驱动器，用于调节各波长激光驱动电流，保证各波长激光功率稳定性及混合比例的稳定性。
[0039]所述450nm半导体激光光源201、520nm半导体激光光源301和650nm半导体激光光源401均为单元半导体激光器，功率为1mW?50mW可调，可通过导线与激光驱动器连接，由激光驱动器提供电流，功率与驱动电流呈线性关系，电流越大，功率越高。由于所述450nm半导体激光光源201、520nm半导体激光光源301和650nm半导体激光光源401均为单元半导体激光器，发出的激光分为快轴和慢轴两个方向，其中快轴方向为竖直方向，发散角较大，约30°?70°，慢轴方向为水平方向，发散角较小，约为8°?10°。由于快慢轴发散角不均匀，需要分别针对三个波长快轴和慢轴进行准直。
[0040]针对三个波长激光快轴方向准直如图2所示。由于快轴方向发散角较大，所述450nm快轴准直透镜202、520nm快轴准直透镜302和650nm快轴准直透镜402均为截面为D形的非球面聚焦柱透镜，针对各自波长镀增透膜，透过率大于99 %，可将各自波长激光快轴方向发散角压缩到几毫弧度数量级。
[0041 ] 针对三个波长激光慢轴方向准直如图3所示。所述450nm慢轴准直透镜203、520nm慢轴准直透镜303和650nm慢轴准直透镜403均为截面为D形的球面聚焦柱透镜，针对各自波长镀增透膜，透过率大于99%，可将各自波长激光快轴方向发散角压缩到几十毫弧度数量级。
[0042]所述450nm反射镜204、520nm反射镜304和650nm反射镜404均为平面反光镜，用于改变各自波长激光光路方向，使三个波长激光在同一竖直平面内沿同一方向传播。针对各自波长激光45°入射角镀有高反射膜，反射率大于99 %。
[0043]所述阶梯型热沉I为无氧铜材质，作为半导体激光光源的底座，用于传导半导体激光光源产生的热量。所述阶梯型热沉I通过阶梯型设计，使三支所述半导体激光光源及各自所述快轴准直透镜、慢轴准直透镜、反光镜、分光镜等安装在不同阶梯上，产生Imm左右高度差，使三种颜色的三束激光经各自所述反射镜后在同一竖直面上沿同一方向传输。经反射镜反射后的三束激光在竖直方向高度差分别为1_，如图5所示。经过所述消色差聚焦透镜5之前，光斑在竖直平面内在水平方向沿同一方向传输，450nm激光光斑、520nm激光光斑和650nm激光光斑由上而下分别相差Imm0
[0044]所述消色差聚焦透镜5，采用消色差设计，用于将三种波长激光聚焦于同一焦点，生成白光激光。消色差聚焦透镜5的后端可以耦合进光纤或者其他器件。
[0045]所述450nm分光镜205、520nm分光镜305和650nm分光镜405均为平板玻璃镜，针对各自波长激光45°入射角镀一定反射率膜，透过率90 %，反射率为10 %。用于改变一小部分激光光路方向，使其能入射各自波长所述450nm探测器206、520nm探测器306、650nm探测器406。
[0046]所述450nm探测器206、520nm探测器306和650nm探测器406均用于响应各自波长激光并转化成电信号，可通过导线与激光驱动器连接。通过对每种波长激光功率的检测，可通过激光驱动器实时调节各波长激光功率，保证激光器运行的稳定性，并保证各波长激光传输比例的稳定性。
【主权项】
1.一种基于半导体激光合束技术的白光激光器，其特征是:包括阶梯型热沉(I)、450nm半导体激光光源(201)、450nm快轴准直透镜(202)、450nm慢轴准直透镜(203)、450nm反射镜(204)、450nm分光镜(205)、450nm探测器(206)、520nm半导体激光光源(301)、520nm快轴准直透镜(302)、520nm慢轴准直透镜(303)、520nm反射镜(304)、520nm分光镜(305)、520nm探测器(306)、650nm半导体激光光源(401)、650nm快轴准直透镜(402)、650nm慢轴准直透镜(403)、650nm反射镜(404)、650nm分光镜(405)、650nm探测器(406)和消色差聚焦透镜(5)，所述阶梯型热沉(I)的上表面呈三层阶梯状结构，分别为最高阶梯层(2)、中间阶梯层(3)和最低阶梯层(4);所述最高阶梯层(2)上依次固定安装有450nm半导体激光光源(201)、450nm快轴准直透镜(202)、450nm慢轴准直透镜(203)、450nm分光镜(205)、450nm探测器(206)和450nm反射镜(204);所述中间阶梯层(3)上依次固定安装有520nm半导体激光光源(301)、520nm快轴准直透镜(302)、520nm慢轴准直透镜(303)、520nm分光镜(305)、520nm探测器(306)和520nm反射镜(304);所述最低阶梯层(4)上依次固定安装有650nm半导体激光光源(401)、650nm快轴准直透镜(402)、650nm慢轴准直透镜(403)、650nm分光镜(405)、650nm探测器(406)和650nm反射镜(404); 所述450nm半导体激光光源(201)发射蓝色激光，经过450nm快轴准直透镜(202)进行快轴准直，再经过450nm慢轴准直透镜(203)进行慢轴准直，然后以45°入射角入射至450nm反射镜(204)，光路方向改变90°，入射至消色差聚焦透镜(5);所述450nm分光镜(205)固定安装在450nm慢轴准直透镜(203)与450nm反射镜(204)之间，450nm分光镜(205)反射出的激光入射至450nm探测器(206);所述450nm探测器(206)通过导线与激光驱动器连接； 所述520nm半导体激光光源(301)发射绿色激光，经过520nm快轴准直透镜(302)进行快轴准直，再经过520nm慢轴准直透镜(303)进行慢轴准直，然后以45°入射角入射至520nm反射镜(304)，光路方向改变90°，入射至消色差聚焦透镜(5);所述520nm分光镜(305)固定安装在520nm慢轴准直透镜(303)与520nm反射镜(304)之间，520nm分光镜(305)反射出的激光入射至520nm探测器(306);所述520nm探测器(306)通过导线与激光驱动器连接； 所述650nm半导体激光光源(401)发射红色激光，经过650nm快轴准直透镜(402)进行快轴准直，再经过650nm慢轴准直透镜(403)进行慢轴准直，然后以45°入射角入射至650nm反射镜(404)，光路方向改变90°，入射至消色差聚焦透镜(5);所述650nm分光镜(405)固定安装在650nm慢轴准直透镜(403)与650nm反射镜(404)之间，650nm分光镜(405)反射出的激光入射至650nm探测器(406);所述650nm探测器(406)通过导线与激光驱动器连接； 所述消色差聚焦透镜(5)位于阶梯型热沉(I)的一侧，消色差聚焦透镜(5)将三种波长激光聚焦到同一光斑，混合成白光激光，并输出；所述激光驱动器分别通过导线与450nm半导体激光光源(201)、520nm半导体激光光源(301)以及650nm半导体激光光源(401)连接。2.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光合束技术的白光激光器，其特征是:所述入射至消色差聚焦透镜(5)的三种波长激光在同一竖直平面沿同一方向传播。3.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光合束技术的白光激光器，其特征是:所述中间阶梯层(3)与最高阶梯层(2)之间的高度差为1mm，中间阶梯层(3)与最低阶梯层(4)之间的高度差为1mm。4.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光合束技术的白光激光器，其特征是:所述450nm快轴准直透镜(202)、520nm快轴准直透镜(302)和650nm快轴准直透镜(402)均为截面为D形的非球面聚焦柱透镜。5.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光合束技术的白光激光器，其特征是:所述450nm慢轴准直透镜(203)、520nm慢轴准直透镜(303)和650nm慢轴准直透镜(403)均为截面为D形的球面聚焦柱透镜。6.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光合束技术的白光激光器，其特征是:所述450nm反射镜(204)、520nm反射镜(304)和650nm反射镜(404)均为平面反光镜。7.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光合束技术的白光激光器，其特征是:所述450nm分光镜(205)、520nm分光镜(305)和650nm分光镜(405)均为平板玻璃镜。
【文档编号】H01S5/00GK105896311SQ201610457474
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】董洪斌, 张巍, 张辰, 孙婷婷, 刘大巍, 白戎
【申请人】长春德信光电技术有限公司