CN113534586A - 一种激光光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光光源，该激光光源包括依次排列设置的激光器阵列、会聚光学元件、第一光整形元件以及第二光整形元件，激光器阵列用于产生激光光束阵列；会聚光学元件用于对激光光束阵列进行会聚；第一光整形元件用于使会聚光学元件出射的激光光束阵列在慢轴方向上会聚，以缩小激光光束阵列在会聚点沿慢轴方向上的光斑长度；第二光整形元件用于使第一光整形元件出射的激光光束阵列的发散角度在快轴方向上压缩，并扩大激光光束阵列在会聚点沿快轴方向上的光斑长度。本发明能够使得激光光束阵列在会聚点形成的光斑沿慢轴方向的光斑长度减小，且沿快轴方向上的光斑长度扩大，从而能够降低对光导元件的芯径的要求，进而降低光导元件的成本。

Description

一种激光光源
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种激光光源。
背景技术
激光光源作为一种高亮度、高准直的新型光源，正被逐步应用到投影和照明等领域。然而随着投影和照明的要求越来越高，对激光光源的功率和质量的要求也越来越高。
本申请的发明人在长期的研发中发现，如图1所示，目前的激光器元件110产生的激光光束阵列经准直透镜120准直后直接经会聚透镜130会聚后出射至光导元件140，如图2所示，由于准直后的激光光束阵列在慢轴方向上的发散角大于在快轴方向上的发散角，因此经会聚后在光导元件140上形成的光斑在慢轴方向上的长度大于在快轴方向上的长度；如图3所示，又由于准直后的激光光束阵列在快轴方向上的口径大于在慢轴上的口径，因此经会聚后在光导元件140上形成的光斑在快轴方向上的发散角大于在慢轴方向上的发散角。而由于光导元件140的芯径和NA(Numerical Aperture，数值孔径)都是各项均匀的，光导元件140的芯径需大于光斑在慢轴方向上的口径，并且光导元件140的NA需大于光斑在快轴方向上的发散角，因此随着光导元件140的芯径的增加，其成本也会随之增加，且会存在不易弯曲的问题。
发明内容
本发明提供一种激光光源，以解决现有技术中为了提高激光功率造成对光纤的芯径的要求较高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种激光光源，包括：
激光器阵列，包括呈二维阵列排布的多个激光器元件，所述多个激光器元件的快轴方向和慢轴方向相同，用于产生准直的激光光束阵列；
会聚光学元件，设置于所述激光器阵列的出光侧，用于对所述激光光束阵列进行会聚；
第一光整形元件，设置于所述会聚光学元件的出光侧，用于使所述会聚光学元件出射的激光光束阵列在慢轴方向上会聚，以缩小所述激光光束阵列在会聚点沿慢轴方向上的光斑长度；
第二光整形元件，设置于所述第一光整形元件的出光侧，用于使第一光整形元件出射的激光光束阵列的发散角度在快轴方向上压缩，并扩大所述激光光束阵列在会聚点沿快轴方向上的光斑长度。
在一具体实施例中，所述第一光整形元件还用于使所述会聚光学元件出射的激光光束阵列中的各激光光束的发散角度在慢轴方向上扩大。
在一具体实施例中，所述第一光整形元件为柱面透镜阵列，所述柱面透镜阵列包括多个柱面透镜，每一所述柱面透镜沿快轴方向延伸，用于接收对应的沿快轴方向排列的一排激光器产生的激光光束。
在一具体实施例中，第二光整形元件为凹柱面透镜，所述凹柱面透镜的长度方向平行于所述慢轴方向。
在一具体实施例中，所述激光光源还包括第三光整形元件，所述第三光整形元件设置于所述激光器阵列与所述会聚光学元件之间，用于在慢轴方向上压缩沿快轴方向排列的每一排激光器产生的激光光束的发散角。
在一具体实施例中，所述第三光整形元件为柱面透镜阵列，所述柱面透镜阵列包括多个柱面透镜，每一所述柱面透镜沿快轴方向延伸，用于接收对应的沿快轴方向排列的一排激光器产生的激光光束。
在一具体实施例中，所述激光光源还包括第四光整形元件，所述第四光整形元件设置于所述会聚光学元件与所述第四一光整形元件之间，用于在慢轴方向上压缩沿快轴方向排列的每一排激光器产生的激光光束的发散角。
在一具体实施例中，所述第四光整形元件为柱面透镜阵列，所述柱面透镜阵列包括多个柱面透镜，每一所述柱面透镜沿快轴方向延伸，用于接收对应的沿快轴方向排列的一排激光器产生的激光光束。
在一具体实施例中，所述多个柱面透镜的几何中心位于同一条曲线上，所述曲线的凸面朝向所述会聚光学元件。
在一具体实施例中，所述激光光源还包括光导元件，所述光导元件设置于所述第二光整形元件的出光侧，用于对所述第二光整形元件出射的所述激光光束阵列进行导向。
在一具体实施例中，所述激光器阵列还包括多个与所述激光器元件一一对应的准直透镜，所述准直透镜用于对所述多个激光器元件出射的所述激光光束阵列进行准直调整。
本发明通过在激光光源设置会聚光学元件、第一光整形元件以及第二光整形元件，对激光器阵列产生的激光光束阵列进行会聚及两次光整形，能够使得出射至光导元件的激光光束阵列在会聚点形成的光斑沿慢轴方向的光斑长度减小，且激光光束阵列在会聚点形成的光斑沿快轴方向上的光斑长度扩大，从而能够降低对光导元件的芯径的要求，进而降低光导元件的成本。
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，其中：
图1是现有技术中激光光源的结构示意图；
图2是现有技术中激光光源在光导元件上形成的光斑的示意图；
图3是现有技术中激光光源在光导元件上形成的光斑的角度分布示意图；
图4是本发明激光光源一实施例沿慢轴方向的结构示意图；
图5是本发明激光光源一实施例沿快轴方向的结构示意图；
图6是本发明激光光源一实施例中激光器元件的立体结构示意图；
图7是本发明激光光源一实施例中激光器元件和准直透镜沿慢轴方向的结构示意图；
图8是本发明激光光源一实施例中激光器元件和准直透镜沿快轴方向的结构示意图；
图9是本发明激光光源另一具体实施例中会聚光学元件和第一光整形元件沿慢轴方向的结构示意图；
图10是本发明激光光源一实施例中从第一光整形元件出射的激光光束阵列在会聚点形成的光斑的示意图；
图11是本发明激光光源一实施例中从第一光整形元件出射的激光光束阵列在会聚点形成的光斑的角度分布示意图；
图12是本发明激光光源一实施例中从第二光整形元件出射的激光光束阵列在会聚点形成的光斑的示意图；
图13是本发明激光光源一实施例中从第二光整形元件出射的激光光束阵列在会聚点形成的光斑的角度分布示意图；
图14是本发明激光光源另一实施例沿慢轴方向的结构示意图；
图15是本发明激光光源另一实施例沿快轴方向的结构示意图；
图16是本发明激光光源另一实施例沿慢轴方向的结构示意图；
图17是本发明激光光源另一实施例沿快轴方向的结构示意图；
图18是本发明激光光源另一实施例沿慢轴方向的结构示意图；
图19是本发明激光光源另一实施例沿快轴方向的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。而术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
参见图4和图5，本发明激光光源实施例包括激光器阵列200、会聚光学元件300、第一光整形元件400以及第二光整形元件500，激光器阵列200包括呈二维阵列排布的多个激光器元件210，多个激光器元件210的快轴方向和慢轴方向相同，用于产生激光光束阵列610；会聚光学元件300设置于激光器阵列200的出光侧，用于对激光光束阵列610进行会聚；第一光整形元件400设置于会聚光学元件300的出光侧，用于使会聚光学元件300出射的激光光束阵列610在慢轴方向上会聚，以缩小激光光束阵列610在会聚点沿慢轴方向上的光斑长度；第二光整形元件500设置于第一光整形元件400的出光侧，用于使第一光整形元件400出射的激光光束阵列620的发散角度在快轴方向上压缩，并扩大激光光束阵列620在会聚点沿快轴方向上的光斑长度。
本发明实施例通过在激光光源设置会聚光学元件300、第一光整形元件400以及第二光整形元件500，对激光器阵列200产生的激光光束阵列610进行会聚及两次光整形，能够使得出射至光导元件的激光光束阵列630在会聚点形成的光斑沿慢轴方向的光斑长度减小，且激光光束阵列630在会聚点形成的光斑沿快轴方向上的光斑长度扩大，从而能够降低对光导元件的芯径的要求，进而降低光导元件的成本。
在本实施例中，第一光整形元件400还用于使会聚光学元件300出射的激光光束阵列610中的各激光光束的发散角度在慢轴方向上扩大。
在本实施例中，激光光源还包括光导元件700，光导元件700设置于第二光整形元件500的出光侧，用于对激光光束阵列630进行导向。
在本实施例中，出射至光导元件700的激光光束阵列630中每个激光光束在快轴方向的发散角与慢轴方向上的发散角的比值大于或等于0.8，例如0.8、0.9或1。
在本实施例中，激光光源进一步可以包括波长转换装置(图中未示出)，波长转换装置设置于光导元件700的出光侧，用于对激光光束阵列630进行波长转换。
在本实施例中，光导元件700以光纤为例进行说明。在其他实施例中，光导元件700也可以为积分棒等。
在本实施例中，激光器阵列200还包括多个与激光器元件210一一对应的准直透镜220，准直透镜220用于对激光光束阵列610进行准直调整。
一并参见图6，在本实施例中，激光器元件210为长条形发光芯片，例如半导体激光器芯片。激光器元件210设有发光面211，发光面211朝向会聚光学元件300设置，发光面211的长度为d1，发光面211的宽度为d2。在本申请中，定义发光面211的长度方向为激光器元件210的慢轴方向，即图中a轴方向；定义发光面211的宽度方向为激光器元件210的快轴方向，即图中b轴方向；激光器元件210的发光方向，即图中的c轴方向垂直于激光器元件210的发光面211。
在本实施例中，发光面211的长度d1可以为大于或等于10μm，例如10μm、12μm或13μm，发光面211沿激光器元件210的慢轴方向的发散角可以为12°至16°，例如12°、14°或16°。发光面211的宽度d2可以为小于或等于5μm，例如5μm、4μm或2μm，发光面211沿激光器元件210的快轴方向的发散角可以为43°至47°，例如43°、45°或47°。由于发光面211沿激光器元件210的快轴方向的发散角相对于沿激光器元件210的慢轴方向的发散角较大，因此多个激光器元件210一般设置为沿快轴方向的间距大于沿慢轴方向的间距。
一并参见图7和图8，在本实施例中，准直透镜220可以为双凸透镜。准直透镜220的焦距为f1，经准直后的激光光束阵列610沿发光件110的慢轴方向的发散半角θ，其中，tanθ＝d/f1。
在其他实施例中，准直透镜220也可以为平凸透镜，在此不做限制。
在本实施例中，会聚光学元件300可以为会聚透镜，例如双凸透镜。其中，会聚光学元件300的焦距为f2，经会聚后的激光光束阵列610在会聚点形成的光斑沿慢轴方向的长度为L，其中，L＝d*f2/f1。
在本实施例中，第一光整形元件400为沿慢轴方向排列的一列柱面透镜阵列，柱面透镜阵列包括多个柱面透镜，每一柱面透镜沿快轴方向延伸，用于接收对应的沿快轴方向排列的一排激光器产生的激光光束610。
在本实施例中，柱面透镜可以为平凸柱面透镜，平凸柱面透镜的平面面对会聚光学元件300设置，平凸柱面透镜的凸面背对会聚光学元件300设置。在其他实施例中，柱面镜也可以为双凸柱面透镜。
参见图9，在其他实施例中，第一光整形元件400的几何中心还可以位于同一条曲线上，曲线的凸面朝向会聚光学元件300，以使得每一束激光光束610能够正入射至第一光整形元件400，从而能够使得每一第一光整形元件400都能够达到较好的光整形效果。相比于呈直线排列的第一光整形元件400，经过边缘区域的柱面透镜的激光光束与经过中间区域的柱面透镜的激光光束能够达到更好的会聚效果。
参见图4、图5、图10和图11，由于第一光整形元件400的长度方向平行于快轴方向，因此第一光整形元件400仅在沿慢轴方向上对激光光束阵列610起到会聚作用，能够使得从第一光整形元件400出射的激光光束阵列620在会聚点形成的光斑沿慢轴方向的总长度小于从会聚光学元件300出射的激光光束阵列610在会聚点形成的光斑沿慢轴方向的总长度，有利于降低对光纤的芯径的要求，进而降低光纤的成本。
又根据光学扩展量守恒原理：光束的截面面积被压缩，其发散角必然增大。因此能够使得每一束激光光束620在会聚点形成的光斑沿慢轴方向的发散角大于每一束激光光束610在会聚点形成的光斑沿慢轴方向的发散角。同时由于激光光束阵列620相比激光光束阵列610的总光束的角度不变，使得多束激光光束阵列620在会聚点形成的光斑在空间角度沿慢轴方向的间距减小，从而使得激光光束阵列620在会聚点形成的光斑更加均匀。
一并参见图12和图13，在本实施例中，第二光整形元件500可以为凹柱面透镜，凹柱面透镜的长度方向平行于慢轴方向，用于接收激光光束阵列620。
在本实施例中，凹柱面透镜可以为新月形柱面透镜，新月形柱面透镜的凹面背向第一光整形元件400。第二光整形元件500的长度方向平行于慢轴方向，仅在沿快轴方向上对激光光束阵列620的角分布进行调整控制，能够使得激光光束阵列630在会聚点形成的光斑沿快轴方向的总长度大于激光光束阵列620在会聚点形成的光斑沿快轴方向的总长度，并使得每一束激光光束阵列630在会聚点形成的光斑沿快轴方向的发散角小于每一束激光光束阵列620在会聚点形成的光斑沿快轴方向的发散角。从而使得出射至光纤的激光光束阵列630在会聚点形成的光斑沿快轴方向的发散角与沿的慢轴方向的发散角的差值小于角度阈值，且发散角的值都较小，并使得激光光束阵列630在会聚点形成的光斑沿慢轴方向的长度和沿快轴方向的长度的差值小于长度阈值，且长度都较小，进一步有利于降低对光纤的芯径和NA的要求，进而降低光纤的成本和设置难度。
在其他实施例中，凹柱面透镜还可以为平凹柱面透镜，在此不做限制。
参见图14和图15，在另一具体实施例中，激光光源还可以包括第三光整形元件800，第三光整形元件800设置于激光器阵列200与会聚光学元件300之间，用于在慢轴方向上压缩沿快轴方向排列的每一排激光器210产生的激光光束的发散角。通过设置第三光整形元件800能够避免经准直后的激光光束的发散角过大，导致经会聚光学元件300出射至对应的第一光整形元件400时，发散出射至与对应的第一光整形元件400相邻的第一光整形元件400上，造成相互干扰，导致出射的光斑不均匀。
在本实施例中，第三光整形元件800为柱面透镜阵列，柱面透镜阵列包括多个柱面透镜，每一柱面透镜沿快轴方向延伸，用于接收对应的沿快轴方向排列的一排激光器210产生的激光光束。
在本实施例中，柱面透镜可以为平凸柱面透镜，平凸柱面透镜的平面面对会聚光学元件300设置，平凸柱面透镜的凸面背对会聚光学元件300设置。在其他实施例中，柱面镜也可以为双凸柱面透镜。
参见图16和图17，在另一具体实施例中，激光光源还可以包括第四光整形元件900，第四光整形元件900设置于会聚光学元件300与第一光整形元件400之间，用于在慢轴方向上压缩沿快轴方向排列的每一排激光器210产生的激光光束的发散角。通过设置第四光整形元件900能够避免经准直后的激光光束的发散角过大，导致经会聚光学元件300出射至对应的第一光整形元件400时，发散出射至与对应的第一光整形元件400相邻的第一光整形元件400上，造成相互干扰，导致出射的光斑不均匀。
在本实施例中，第四光整形元件900为柱面透镜阵列，柱面透镜阵列包括多个柱面透镜，每一柱面透镜沿快轴方向延伸，用于接收对应的沿快轴方向排列的一排激光器210产生的激光光束。
在本实施例中，柱面透镜可以为平凸柱面透镜，平凸柱面透镜的平面背对会聚光学元件300设置，平凸柱面透镜的凸面面对会聚光学元件300设置。在其他实施例中，柱面镜也可以为双凸柱面透镜。
在本实施例中，第四光整形元件900的焦点可以位于第四光整形元件900和第一光整形元件400之间，也可以位于第一光整形元件400的出射端，即第一光整形元件400位于第四光整形元件900的非焦点位置。
参见图18和图19，在另一具体实施例中，激光光源还可以同时包括第三光整形元件800和第四光整形元件900，其中，第三光整形元件800和第四光整形元件900的结构和位置参见上述激光光源实施例，在此不再赘述。通过同时设置第三光整形元件800和第四光整形元件900，能够使得对激光光束的发散角的大小控制更好，进一步减少相互之间的干扰。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种激光光源，其特征在于，包括：
激光器阵列，包括呈二维阵列排布的多个激光器元件，所述多个激光器元件的快轴方向和慢轴方向相同，用于产生激光光束阵列；
会聚光学元件，设置于所述激光器阵列的出光侧，用于对所述激光光束阵列进行会聚；
第一光整形元件，设置于所述会聚光学元件的出光侧，用于使所述会聚光学元件出射的激光光束阵列在慢轴方向上会聚，以缩小所述激光光束阵列在会聚点沿慢轴方向上的光斑长度；
第二光整形元件，设置于所述第一光整形元件的出光侧，用于使第一光整形元件出射的激光光束阵列的发散角度在快轴方向上压缩，并扩大所述激光光束阵列在会聚点沿快轴方向上的光斑长度。
2.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述第一光整形元件还用于使所述会聚光学元件出射的激光光束阵列中的各激光光束的发散角度在慢轴方向上扩大。
3.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述第一光整形元件为柱面透镜阵列，所述柱面透镜阵列包括多个柱面透镜，每一所述柱面透镜沿快轴方向延伸，用于接收对应的沿快轴方向排列的一排激光器产生的激光光束。
4.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，第二光整形元件为凹柱面透镜，所述凹柱面透镜的长度方向平行于所述慢轴方向。
5.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述激光光源还包括第三光整形元件，所述第三光整形元件设置于所述激光器阵列与所述会聚光学元件之间，用于在慢轴方向上压缩沿快轴方向排列的每一排激光器产生的激光光束的发散角。
6.根据权利要求5所述的激光光源，其特征在于，所述第三光整形元件为柱面透镜阵列，所述柱面透镜阵列包括多个柱面透镜，每一所述柱面透镜沿快轴方向延伸，用于接收对应的沿快轴方向排列的一排激光器产生的激光光束。
7.根据权利要求1或5所述的激光光源，其特征在于，所述激光光源还包括第四光整形元件，所述第四光整形元件设置于所述会聚光学元件与所述第一光整形元件之间，用于在慢轴方向上压缩沿快轴方向排列的每一排激光器产生的激光光束的发散角。
8.根据权利要求7所述的激光光源，其特征在于，所述第四光整形元件为柱面透镜阵列，所述柱面透镜阵列包括多个柱面透镜，每一所述柱面透镜沿快轴方向延伸，用于接收对应的沿快轴方向排列的一排激光器产生的激光光束。
9.根据权利要求3所述的激光光源，其特征在于，所述多个柱面透镜的几何中心位于同一条曲线上，所述曲线的凸面朝向所述会聚光学元件。
10.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述激光光源还包括光导元件，所述光导元件设置于所述第二光整形元件的出光侧，用于对所述第二光整形元件出射的所述激光光束阵列进行导向。
11.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述激光器阵列还包括多个与所述激光器元件一一对应的准直透镜，所述准直透镜用于对所述多个激光器元件出射的所述激光光束阵列进行准直调整。
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