CN111293586A

CN111293586A - 一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置

Info

Publication number: CN111293586A
Application number: CN201811495017.3A
Authority: CN
Inventors: 王立峰
Original assignee: Shanghai Aviation Electric Co Ltd
Current assignee: Shanghai Aviation Electric Co Ltd
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-06-16

Abstract

本发明公开一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置，包含有，偏振合束模块；第一激光器模块，其被置于所述偏振合束模块的一入射侧，所述第一激光器模块出射的平行光束为线偏振光且其振动方向在所述偏振合束模块的入射面内；以及，第二激光器模块，其被置于所述偏振合束模块的另一入射侧，所述第二激光器模块出射的平行光束垂直于所述第一激光器模块出射的平行光束，所述第二激光器模块出射的平行光束为线偏振光且其振动方向垂直于所述偏振合束模块的入射面。本发明的有益效果在于：实现光束重合的方式输出，功率提高近一倍，且光束质量不变。该装置用于激光照明可有效减小光学元件尺寸、降低光学元件像差、减少杂散光、提升光源效率、提高成像质量、降低成本且装调简便。

Description

一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置

技术领域

本发明涉及半导体激光技术领域，尤其涉及一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置。

背景技术

半导体激光器是近50年来发展快、成果多、应用领域广泛的一种电光转换器件。它以半导体材料作为增益介质，利用电子在能级间跃发光，直接以半导体晶体解离形成的平行反射镜构成谐振腔，在电注入下形成光振荡、反馈、、产生光的辐射放大，实现激光输出。相较于其他激光器类型，半导体激光器具有转换效率高、体积小、重量轻、寿命长、能直接调制及易与其他半导体器件集成等特点。小功率器件作为信息载体早已广泛应用于光通信、光存储和激光打印等信息领域。随着其大功率化的发展，无论作为直接光源还是泵浦源，半导体激光器在加工、医疗、显示及国防等领域均显示出巨大的应用前景。

大功率半导体激光器件主要为出光方向平行于外延层的宽条边发射结构器件，根据单芯片集成的单元数量，可分为激光单管（Single Emitter）和激光线阵（Bar）。本发明中提到的半导体激光器指的都是激光单管。激光单管具有亮度高、成本低及可靠性好等优势，常用在光纤激光泵浦、激光医疗、激光照明等领域。

为了满足激光照明高亮度的性能需求，需要实现大功率半导体激光器的输出，现阶段大多采用空间合束方案。空间合束是将多束激光空间堆叠，只是在焦点处将多束激光重合到一点，而在焦点之外的区域，则仍然是分离状态；且各束激光是倾斜入射到荧光陶瓷表面。就会导致聚焦透镜尺寸较大，自身球差较大，激光聚焦后的光斑偏大，经反光碗出射后发散角变大，中心光强会变低；经聚焦透镜会聚后的光线数值孔径较大，需要在反光碗中心开较大的孔，导致较多的光通量损失；离轴的激光束经聚焦透镜聚焦后斜入射到荧光陶瓷平面，极易产生蓝色杂散光；离轴聚焦斜入射到荧光陶瓷的光斑为椭圆形，影响荧光陶瓷的发光效率；光斑匀化时需要较大尺寸或较多数量的复眼透镜，不但增加很多成本，且给装调带来较大难度。

发明内容

本发明旨在至少一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种装调简单、聚焦透镜球差小、聚焦后为圆形光斑、出射光发散角小、中心光强大、匀光成本低、杂散光少、空间布局灵活的用于激光照明的半导体激光偏振合束装置。

根据本发明实施例的一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置，所述的合束装置包括两个半导体激光器模块10和20及一个偏振合束模块30。激光器模块10出射的线偏振平行光束的振动方向在偏振合束模块30的入射面内，即P光。激光器模块20出射的线偏振平等光束的振动方向垂直于偏振合束模块30的入射面，即S光。激光器模块10出射的平行P光与激光器模块20出射的平行S光，经偏振合束模块30后合束为P光+S光的椭圆偏振平行光束。该偏振合束装置，将两束振动方向相互垂直的半导体激光平行光束通过偏振合模块，实现光束重合的方式输出，功率提高近一倍，且光束质量不变。该合束装置用于激光照明可有效减小光学元件尺寸、降低光学元件像差、减少杂散光、提升光源效率、提高成像质量、降低成本且装调简便。

另外，根据本发明上述实施例的用于激光照明的半导体激光偏振合束装置，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述的激光器模块10由单个半导体激光器耦合激光准直透镜后出射平行光束，光束的振动方向可以通过旋转半导体激光器以实现振动方向在偏振合束模块30的入射面内；所述的激光器模块20可同样由单个半导体激光器耦合激光准直透镜后出射平行光束，光束的振动方向可以通过旋转半导体激光器以实现振动方向垂直于偏振合束模块30的入射面；所述的偏振合束模块30将上述两振动方向垂直的平行光束合束为椭圆偏振的平行光束，其传播方向与激光器模块10出射的平行光束方向相同，且通光孔径也与激光器模块10相同。

优选地，所述半导体激光器为波长为445nm、光功率为3.5W的半导体激光器。

优选地，所述激光准直透镜为数值孔径0.55、焦距4.51mm，有效孔径为4.95mm的偶次非球面透镜。

优选地，所述偏振合束模块为5×5×5mm的偏振分束立方体。

优选地，所述激光器模块10和20也可以是由单个半导体激光器及激光准直透镜组成的阵列。

根据本发明的一个实施例，所述的激光器模块10由单个半导体激光器耦合激光准直透镜后出射平行光束，光束的振动方向可以通过旋转半导体激光器以实现振动方向在偏振合束模块30的入射面内；所述的激光器模块20可同样由单个半导体激光器耦合激光准直透镜，且半导体激光器的姿态与激光器模块10中的激光器完全相同，也就是半导体激光器耦合激光准直透镜后出射的平行光束其振动方向在偏振合束模块30的入射面内为P光，再经过半波片后使其振动方向旋转90度，即振动方向与偏振合束模块30的入射面垂直变为S光。可在光路中加入光路转折系统，不但光路装调简便，而且可以使整个装置满足空间布局需求。

优选地，所述半波片为445nm的真零级半波片。

优选地，所述半波片的快轴方向与出射平行光束的振动方向的夹角为45°。

优选地，所述光路转折系统为平面反射镜或棱镜。

与现有技术相比，该偏振合束装置，将两束振动方向相互垂直的半导体激光平行光束通过偏振合模块，实现光束重合的方式输出，功率提高近一倍，且光束质量不变。该装置用于激光照明可有效减小光学元件尺寸、降低光学元件像差、减少杂散光、提升光源效率、提高成像质量、降低成本且装调简便。

附图说明

图1示意性地示出了本发明的用于激光照明的半导体激光偏振合束装置的原理图。

图2示意性地示出了本发明的用于激光照明的半导体激光偏振合束装置的第一实施方式的布局图。

图3示意性地示出了本发明的用于激光照明的半导体激光偏振合束装置的第二实施方式的布局图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

由于本发明的实施方式的组件能够被以多种方式实施，这些方向性术语是用于说明的目的，而不是限制的目的。因此，以下的具体实施方式并不是作为限制的意义，并且本发明的范围由所附的权利要求书所限定。

图1示意性地示出了本发明的用于激光照明的半导体激光偏振合束装置原理图。该光学装置及灯具主要由两个激光器模块10和20，以及一个偏振合束模块30。激光器模块10出射的线偏振平行光束的振动方向在偏振合束模块30的入射面内，即P光。激光器模块20出射的线偏振平等光束的振动方向垂直于偏振合束模块30的入射面，即S光。激光器模块10出射的平行P光与激光器模块20出射的平行S光，经偏振合束模块30后合束为P光+S光的椭圆偏振平行光束。

具体地，如图2所示，位于左侧的由单颗蓝光半导体激光器101发出的散射光经激光准直透镜102准直成平行光垂直入射于偏振合束棱镜301左侧表面，通过旋转半导体激光器101使平行光的振动方向位于偏振合束棱镜301的入射面内。位于下方的单颗蓝光半导体激光器201发出的散射光同样经激光准直透镜202准直成平行光垂直入射于偏振合束棱镜301下侧表面，通过旋转半导体激光器201使平行光的振动方向垂直于偏振合束棱镜301的入射面。这样两个激光器模块10和20出射的平行光束经偏振合束棱镜301合束后成与入射光斑同样大小的平行光束，且其偏振态成为椭圆偏振。

可选择地，如图3所示，位于下方的激光器模块20由单颗蓝光半导体激光器203发出散射光经激光准直透镜204准直成平行光，而后经过半波片205，进而经光路转折系统206转折后垂直入射于偏振合束棱镜301的下表面。半导体激光器203的姿态与半导体激光器101一样，这样出射的平行光束振动方向在偏振合束棱镜301的入射面内，而后通过半波片205后其振动方向旋转90°，成为与偏振合束棱镜301入射面垂直的平行光束，再由光路转折系统206后，垂直入射于下侧表面。两束振动方向相互垂直的光束经偏振合束棱镜301合束成椭圆偏振光出射。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。对于本领域的专业人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的宗旨和原则之内，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

1.一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置，其特征在于，包含有，

偏振合束模块；

第一激光器模块，其被置于所述偏振合束模块的一入射侧，所述第一激光器模块出射的平行光束为线偏振光且其振动方向在所述偏振合束模块的入射面内；以及，

第二激光器模块，其被置于所述偏振合束模块的另一入射侧，所述第二激光器模块出射的平行光束垂直于所述第一激光器模块出射的平行光束，所述第二激光器模块出射的平行光束为线偏振光且其振动方向垂直于所述偏振合束模块的入射面；

其中，所述第一激光器模块出射的平行光束与所述第二激光器模块出射的平行光束经所述偏振合束模块合成椭圆偏振平行光束。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置，其特征在于，所述偏振合束模块为偏振分束立方体或偏振分束平板。

3.根据权利要求1所述的一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置，其特征在于，所述第一激光器模块及所述第二激光器模块均采用LD半导体激光器和激光准直透镜。

4.根据权利要求3所述的一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置，其特征在于，所述LD半导体激光器的波长是445nm。

5.根据权利要求3所述的一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置，其特征在于，所述激光准直透镜是非球面透镜、平凸透镜、双凸透镜或双胶合透镜。

6.一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置，其特征在于，包含有，

偏振合束模块；

第二激光器模块，其被置于所述偏振合束模块的另一入射侧，所述第二激光器模块出射的平行光束平行于所述第一激光器模块出射的平行光束，所述第二激光器模块出射的平行光束为线偏振光且其振动方向与所述第一激光器模块出射的平行光束的振动方向相同；

半波片，其被置于所述第二激光器模块的出射侧，所述半波片用于将通过所述半波片后的所述第二激光器模块出射的平行光束的振动方向调整为垂直于所述偏振合束模块的入射面，优选地，所述半波片为真零级波片或多级波片；

光路转折系统，其被置于所述第二激光模块与所述偏振合束模块间，所述光路转折系统用于将通过所述光路转折系统后的所述第二激光器模块出射的平行光束调整为垂直于所述第一激光器模块出射的平行光束，优选地，所述光路转折系统为平面反射镜或转折棱镜；

7.根据权利要求6所述的一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置，其特征在于，所述偏振合束模块为偏振分束立方体或偏振分束平板。

8.根据权利要求6所述的一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置，其特征在于，所述第一激光器模块及所述第二激光器模块均采用LD半导体激光器和激光准直透镜。

9.根据权利要求8所述的一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置，其特征在于，所述LD半导体激光器的波长是445nm。

10.根据权利要求6所述的一种用于激光照明的半导体激光偏振合束装置，其特征在于，所述激光准直透镜是非球面透镜、平凸透镜、双凸透镜或双胶合透镜。