CN103424868A - 激光耦合单元、模块及激光光源模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光耦合单元、模块及激光光源模组，属于光学领域。所述单元包括顺次设置的多个激光器、多个准直透镜、一个光束折转元件、一个聚焦透镜组及一根光纤，多个激光器按照排列方式分为N个激光器和M个激光器，N个激光器发射出的激光通过各自的准直透镜准直，经一个聚焦透镜组聚焦，耦合进一根光纤输出；M个激光器发射出的激光通过各自的准直透镜准直，经一个光束折转元件折转，再经一个聚焦透镜组聚焦，耦合进一根光纤输出。所述模组包括激光耦合模组。本发明实施例实现高亮度、高功率的激光输出，故此特别适合面向显示等应用，此外，本发明实施例提供的激光耦合单元还具有成本低廉的优点。

Description

激光耦合单元、模块及激光光源模组

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及一种激光耦合单元、模块及激光光源模组。

背景技术

在现有的激光显示或其他需要高功率激光输出的场合中，通常采用光纤耦合的半导体激光器作为光源。但是，由于半导体激光器的出射光束快轴方向的发散角远大于慢轴方向的发散角，光束准直难度大，故很难得到较高的光纤耦合效率。而单个半导体激光器的输出光功率较低，因此单独的半导体激光器不能满足激光显示技术对高功率激光光源的要求。为此通常采用如下方式克服上述问题。

方式一

采用将多个独立的半导体激光光纤耦合模块的多根输出光纤在空间上集合成一束，由共同的光纤输出端输出的方式，具体如图1所示，该激光光源模组包括多个激光器1’、多个准直透镜2’、多个聚焦透镜4’、多条光纤5’以及一个集束器5’，其中，多个激光器1’、多个准直透镜2’、多个聚焦透镜4’及多条光纤5’一一对应，每个激光器1’发射的光经过各自的准直透镜2’准直，再经各自聚焦透镜3’聚焦后，耦合到各自的光纤4’输入端面中，最后多个激光器1’对应的多根光纤4’被集束器5’集束输出。该激光光源模组中每个激光器1’均对应有各自的准直透镜2’、各自的聚焦透镜3’及各自的光纤4’，故耦合过程复杂，特别是对于高功率输出，常常需要数百根光纤合束，使得多根合束光纤加工和安装十分复杂；同时由于多根光纤构成的输出端输出截面很大，输出亮度受到很难提高，而且使得光源模组的体积大，集成度不高，因此激光的高亮度应用方面受到很大限制。

方式二

采用将半导体激光阵列上的多个发光点的出射光束准直后，以整形或空间排布的方式，使平衡光束快慢轴的光学参数积后聚焦耦合进入光纤。该方式中不但半导体激光阵列成本高昂，而且要求准直透镜、快慢轴调整等器件的精度极高，加之半导体阵列工作时热流密度高，对散热要求十分苛刻，因此该方式不适用于显示等场合应用。

方式三

将多个独立的半导体激光器光束准直后，通过空间上组合排列，使组合后的光束经整形与输出光纤光学参数积匹配，能够耦合到一根光纤中输出。该方式中的每个半导体激光器都需要采用独立的快轴和慢轴准直透镜，在组合时通常采用复杂的阶梯镜结构，不但导致元件使用多，装配工艺复杂，而且由于各发光光束间距大，很难实现更多的半导体激光器组合，一般小于十个，使得耦合输出功率受到限制。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明实施例提供了一种激光耦合单元、模块及激光光源模组，能够实现高亮度、高功率的激光输出，而且能够面向显示等应用。所述技术方案如下：

一种激光耦合单元，包括顺次设置的多个激光器、多个准直透镜、一个光束折转元件、一个聚焦透镜组及一根光纤，所述多个激光器与所述多个准直透镜相匹配，所述多个激光器共用所述一个聚焦透镜组和所述一根光纤，所述多个激光器按照排列方式分为N个激光器和M个激光器，其中，所述N个激光器发射出的激光通过各自的准直透镜准直，经所述一个聚焦透镜组聚焦，耦合进所述一根光纤输出；所述M个激光器发射出的激光通过各自的准直透镜准直，经所述一个光束折转元件折转，再经所述一个聚焦透镜组聚焦，耦合进所述一根光纤输出。

具体地，作为优选，所述光束折转元件为光束折转棱镜或反射镜组。

具体地，所述多个激光器发射的光均为红光或蓝光。

具体地，所述多个激光器均采用TO封装、C封装或F型封装。

具体地，所述激光耦合单元安装时为垂直安装或水平安装。

具体地，作为优选，所述N个激光器为三个激光器，所述M个激光器为三个激光器。

本发明实施例还提供了一种激光耦合模块，所述模块包括所述的激光耦合单元，所述激光耦合单元为多个，多个激光耦合单元输出的光波长相同或者不同。

本发明实施例还提供了一种激光光源模组，所述模组包括所述的激光耦合模块，绿光激光器和电源板；

所述激光耦合模块输出的光包括红光和蓝光；

所述绿光激光器发射绿光；

所述电源板为所述激光耦合模块和所述绿光激光器供电。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：相比现有技术，本发明实施例采用多个独立的激光器，并经各自的准直透镜整形出射光束，其中部分激光器经光束折转元件减小激光器之间的发光间隙，而后通过聚集透镜组将组合光束聚焦，耦合到单根光纤内传输，从而实现高亮度、高功率的激光输出，故此特别适合面向显示、加工处理方面、泵浦固体激光器方面以及医疗应用等方面。此外，本发明实施例提供的激光耦合单元由于光束组合简单使结构紧凑，每个激光器只需一个准直透镜，且无复杂光束整形器件，故成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的激光光源模组的结构示意图；

图1中各符号表示含义如下：1’激光器，2’准直透镜，3’聚焦透镜，4’光纤，5’集束器；

图2是本发明实施例提供的激光耦合单元的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的激光耦合模块的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的激光光源模组集成示意图。

图2-图4中各符号表示含义如下：

1激光器，1A N个激光器，1B M个激光器，

2准直透镜，

3光束折转元件，

4聚焦透镜组，

5光纤，

10A红光激光耦合单元，10B蓝光激光耦合单元，

100激光耦合模块，100A双波长的激光耦合模块，

20绿光激光器，

30电源板，

40散热板，

1000激光光源模组。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图2所示，本发明实施例提供的一种激光耦合单元，包括顺次设置的多个激光器1、多个准直透镜2、一个光束折转元件3、一个聚焦透镜组4及一根光纤5，所述多个激光器1与所述多个准直透镜2相匹配，所述多个激光器1共用所述一个聚焦透镜组4和所述一根光纤5，所述多个激光器1按照激光经过的路径分为N个激光器1A和M个激光器1B，其中，所述N个激光器1A发射出的激光通过各自的准直透镜2准直，经所述一个聚焦透镜组4聚焦，耦合进所述一根光纤5输出；所述M个激光器1B发射出的激光通过各自的准直透镜2准直，经所述一个光束折转元件3折转，再经所述一个聚焦透镜组4聚焦，耦合进所述一根光纤5输出。

如图2所示，本发明实施例所述多个激光器1中的N个激光器1A发射的激光通过各自的准直透镜2准直后直接进入聚焦透镜组4，其余M个激光器1B发射的激光通过各自的准直透镜2准直后入射到光束折转元件3上，通过光束折转元件3将M个激光器1B发射的激光发射方向折转后进入聚焦透镜组4，聚焦透镜组4将入射到其上的所有激光束聚焦，聚焦后的激光束通过光纤5输出。其中，由于各个激光器1发出的光束是平行的，在排布时多个激光器1间具有一定的距离，因此多个光束之间也存在一定的距离，M个激光器1B发射的激光通过各自的准直透镜2准直后入射到光束折转元件3上，通过光束折转元件3将M个激光器1B的光束折转后，使得多个激光器1间的发光间隙大大减小，能够使多个激光器同时耦合进光纤的孔径内，进而实现高亮度、高功率的激光输出，故此特别适合面向显示、加工处理方面、泵浦固体激光器方面以及医疗应用等方面。此外，本发明实施例提供的激光耦合单元由于光束组合简单使结构紧凑，每个激光器1只需一个准直透镜2，且无复杂光束整形器件，故成本低廉。

具体地，所述光束折转元件3可以是光束折转棱镜，还可以是反射镜组。

具体地，所述多个激光器1发射的光均为红光或蓝光。

当然本领域技术人员可以理解，所述多个激光器1发射的光还可以是其它波长的光。

具体地，所述多个激光器1均采用TO封装、C封装或F型封装。

具体地，安装所述激光耦合单元时可以垂直安装，也可以水平安装。

参见图2所示，所谓垂直安装是指激光耦合单元中各个元件按照顺序垂直的安装在底板上，即以从上到下的顺序依次安装一根光纤5、一个聚焦透镜组4、一个光束折转元件3、多个准直透镜2及多个激光器1。

所谓水平安装是指激光耦合单元中各个元件按照顺序水平的安装在底板上，如图2所示即为水平安装的激光耦合单元。

具体地，作为优选，本发明实施例中光纤5的芯径为400μm、光纤5的数值孔径为0.22。其中，由于入射到光纤5端面的光并不能全部被光纤5所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以，而这个角度a的正弦值就称为光纤5的“数值孔径”（NA＝sina）。更具体地，为了使激光器1的发出的激光束均能耦合进芯径为400μm、光纤5的数值孔径为0.22的光纤5中，所述N个激光器1A优选为三个激光器，所述M个激光器1B优选为三个激光器。

当然本领域技术人员可以理解，本发明实施例中M和N的取值可以是任意的，只要使得该多个激光器1发出的光最终能够耦合进对应的光纤5中即可。当然本领域技术人员可以理解，激光器排列的最佳状态为多个激光器之间的排列间隙均匀。

由于单根光纤输出的激光功率有限，无法满足需要大功率输出、或者在某些需要系统集成度高、体积小的场合，本实施例将所述激光耦合单元与多光纤集束耦合技术结合，以解决上述问题。

参见图3所示，本发明实施例还提供的一种激光耦合模块100，所述模块包括上述激光耦合单元（参见图2），所述激光耦合单元（参见图2）为多个，多个激光耦合单元（参见图2）输出的光波长可以相同，也可以不相同。其中，所述激光耦合单元与图2中所示激光耦合单元结构相同，本实施例针对该激光耦合单元结构不再赘述。

参见图3，具体地，在需要单波长的场景，激光耦合模块由多个单波长的激光耦合单元组成，也就是说多个激光耦合单元输出的光波长相同；在需要多波长的场景，激光耦合模块由至少两个波长的激光耦合单元组成，也就是说多个激光耦合单元中至少有两个激光耦合单元输出的光波长不同。

具体地，如图3所示，本实施例中，激光耦合模块由两种波长的激光耦合单元组成（也称为双波长的激光耦合模块），具体包括两个红光激光耦合单元10A和一个蓝光激光耦合单元10B，其中，两个红光激光耦合单元10A中的红光激光器与一个蓝光激光耦合单元10B中的蓝光激光器安装在同一块热沉板上，即红光激光耦合单元10A与蓝光激光耦合单元10B呈一体化设计，通过热沉板冷却，在热沉板上与其它元件贴合的面上加入绝热层，降低热负载。

图3所示的激光耦合模块由图2所示的激光耦合单元集合而成，由于图2所示的激光耦合单元采用多个独立的激光器，并经各自的准直透镜2整形出射光束，其中部分激光器经光束折转元件3减小激光器之间的发光间隙，而后通过聚集透镜组将组合光束聚焦，耦合到单根光纤内传输，从而实现高亮度、高功率的激光输出；且所述激光耦合单元光束组合简单，采用单准直透镜2和无复杂光束整形器件，结构紧凑，成本低廉，将上述多个激光耦合单元组合作为一个激光耦合模块应用时，不仅能够获得大功率激光输出，同时也使得系统集成度增加、体积减小，成本降低，同时解决了现有技术中采用多根光纤和一根光纤所带来的缺陷，实用价值很高。

本发明实施例还提供了一种激光光源模组1000，包括所述的激光耦合模块，绿光激光器，及电源板30，所述激光耦合模块输出的光包括红光和蓝光；所述绿光激光器发射绿光；所述电源板为所述激光耦合模块和所述绿光激光器供电。其中，所述激光耦合模块与图3中所述激光耦合模块100结构相同，本实施例针对该激光耦合模块结构不再赘述。

具体地，如图4所示，本发明实施例提供的激光光源模组1000包括双波长的激光耦合模块100A及绿光激光器20，其中，绿光激光器20设置于双波长的激光耦合模块100A旁边，电源板30设置在激光耦合模块100A与绿光激光器20旁边，为激光耦合模块100A和绿光激光器20共同供电。

图4整体所示为多个激光光源模组1000集成在一起，多个激光光源模组1000共用一个散热板40，本实施例以十五个激光光源模组集成在一起为例进行说明。

由于图3所示的激光耦合模块100中的激光耦合单元采用多个独立的激光器，并经各自的准直透镜2整形出射光束，其中部分激光器经光束折转元件3减小激光器之间的发光间隙，而后通过聚集透镜组将组合光束聚焦，耦合到单根光纤内传输，从而实现高亮度、高功率的激光输出，故此特别适合面向显示、加工处理方面、泵浦固体激光器方面以及医疗应用等方面。此外，由于激光耦合单元由于光束组合简单使结构紧凑，每个激光器只需一个准直透镜2，且无复杂光束整形器件，故成本低廉。由于激光耦合单元的上述优点，将该激光耦合单元集合成激光耦合模块，进而将激光耦合模块集合成激光光源模组时，该激光光源模组的整体体积大幅缩小。具体的，当激光耦合单元中N和M均为3时，该激光光源模组的整体体积为600*500*300mm，较同类产品大幅减小；并且激光光源模组可以与投影机一体安装，解决了原有长光纤（20-30m）高成本、可靠性差，以及损耗高的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光耦合单元，其特征在于，包括顺次设置的多个激光器、多个准直透镜、一个光束折转元件、一个聚焦透镜组及一根光纤，所述多个激光器与所述多个准直透镜相匹配，所述多个激光器共用所述一个聚焦透镜组和所述一根光纤，所述多个激光器按照排列方式分为N个激光器和M个激光器，其中，所述N个激光器发射出的激光通过各自的准直透镜准直，经所述一个聚焦透镜组聚焦，耦合进所述一根光纤输出；所述M个激光器发射出的激光通过各自的准直透镜准直，经所述一个光束折转元件折转，再经所述一个聚焦透镜组聚焦，耦合进所述一根光纤输出。

2.如权利要求1所述的激光耦合单元，其特征在于，所述光束折转元件为光束折转棱镜或者反射镜组。

3.如权利要求1所述的激光耦合单元，其特征在于，所述多个激光器发射的光均为红光或蓝光。

4.如权利要求1所述的激光耦合单元，其特征在于，所述多个激光器均采用TO封装、C封装或F型封装。

5.如权利要求1所述的激光耦合单元，其特征在于，所述激光耦合单元安装时为垂直安装或水平安装。

6.如权利要求1所述的激光耦合单元，其特征在于，所述N个激光器为三个激光器，所述M个激光器为三个激光器。

7.一种激光耦合模块，其特征在于，所述模块包括权利要求1-6任一项权利要求所述的激光耦合单元，所述激光耦合单元为多个，多个激光耦合单元输出的光波长相同或者不同。

8.一种激光光源模组，其特征在于，所述模组包括权利要求7所述的激光耦合模块，绿光激光器和电源板；

所述激光耦合模块输出的光包括红光和蓝光；

所述绿光激光器发射绿光；

所述电源板为所述激光耦合模块和所述绿光激光器供电。

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