專(zhuān)利名稱(chēng)：高精度大功率光纖耦合激光照明裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高精度大功率光纖耦合激光照明裝置，尤其涉及大功率激光照明，屬于激光照明領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器具有體積小、容易泵浦、效率高、能直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)隨著其技術(shù)的不斷發(fā)展，它在泵浦固體激光器、材料加工、醫(yī)學(xué)診斷與治療、空間通信、光存儲(chǔ)等方面已得到廣泛的應(yīng)用.但它存在著發(fā)散角大、水平方向和垂直方向發(fā)散角相差很大的缺點(diǎn)，尤其是大功率半導(dǎo)體激光器，這兩個(gè)方向的發(fā)散角相差可高達(dá)6∶1，給使用帶來(lái)了極大的不便。
針對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器紅外遠(yuǎn)距離照明系統(tǒng)，在使用中一方面要求照明光斑的形狀呈圓形，同時(shí)還要求隨著照明距離的變化即隨著視場(chǎng)角的改變，照明光斑的形狀應(yīng)仍保持或接近圓形；另一方面基于實(shí)用化的要求，系統(tǒng)應(yīng)做到體積小、重量輕、易于裝調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。
多年來(lái)，為了使半導(dǎo)體激光器應(yīng)用于激光照明領(lǐng)域，人們已經(jīng)進(jìn)行了大量研究工作。例如，采用幾何透鏡組合準(zhǔn)直系統(tǒng)，它可達(dá)到較高的數(shù)值孔徑，但對(duì)元件的加工要求較高，裝調(diào)較復(fù)雜；用變形棱鏡消像散、整形系統(tǒng)，它功能完善，但調(diào)試和使用較困難；用光纖微透鏡耦合系統(tǒng)，耦合效率較高、結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡(jiǎn)單，但偏移容差小使之難于調(diào)整、穩(wěn)定性不；基于光的衍射原理、采用微電子工藝加工的衍射光學(xué)元件，雖然其體積小、重量輕、易于復(fù)制、可實(shí)現(xiàn)任意形狀的波面變換等特點(diǎn)，但是生產(chǎn)成本高，不利用大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種高精度大功率光纖耦合激光照明裝置，針對(duì)已有技術(shù)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)低成本、高精度、易于工業(yè)化生成的激光照明光源。
本發(fā)明提出的高精度大功率光纖耦合激光照明裝置，包括(1)激光驅(qū)動(dòng)器，用于輸出驅(qū)動(dòng)電壓，點(diǎn)亮激光器，激光驅(qū)動(dòng)器與激光器相連；(2)驅(qū)動(dòng)器，用于產(chǎn)生激光照明光源，激光器與光纖耦合器相連；(3)精密溫度控制系統(tǒng)，用于使激光器的工作溫度保持恒定，包括精密溫度控制器、精密溫度傳感器和精密溫度制冷器，所述的精密溫度傳感器和精密溫度制冷器與激光器封裝成一體，并分別與激光器外的精密溫度控制器相連；(4)環(huán)境溫度控制系統(tǒng)，用于使激光器的工作環(huán)境溫度保持恒定，包括環(huán)境溫度控制器、環(huán)境溫度傳感器和環(huán)境溫度制冷器，所述的環(huán)境溫度傳感器和環(huán)境溫度制冷器封裝在精密溫度傳感器和精密溫度制冷器的外部，并分別與激光器外的環(huán)境溫度控制器相連；(5)光纖耦合器，與激光器相連，用于將激光光束輸出到光束整形準(zhǔn)直器；
(6)光束整形準(zhǔn)直器，與光纖耦合器相連，用于對(duì)激光光束進(jìn)行整形和準(zhǔn)直后形成具有設(shè)定發(fā)散角的平行照明激光光束。
上述激光照明裝置中的光束整形準(zhǔn)直器包括光纖、自聚焦透鏡和準(zhǔn)直透鏡組，所述的光纖的一端與激光器相連，另一端通過(guò)光纖連接器與自聚焦透鏡相連，自聚焦透鏡置于準(zhǔn)直透鏡組的前端；所述的自聚焦透鏡的長(zhǎng)度z=0.232πA,]]>其中A為自聚焦透鏡的折射率分布常數(shù)；所述的準(zhǔn)直透鏡組的焦距f=dα,]]>其中α為激光照明光束的發(fā)散角，d為自聚焦透鏡成像后的成像光斑直徑。
本發(fā)明提出的高精度大功率光纖耦合激光照明裝置，采用自聚焦透鏡與光纖耦合相結(jié)合的方法產(chǎn)生激光照明光束，能充分利用激光光束能量，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工制造、成本低等特點(diǎn)。本發(fā)明采用二級(jí)激光器溫度控制，即激光器的工作和環(huán)境溫度分別控制，使得產(chǎn)生激光照明的光束具有波長(zhǎng)穩(wěn)定、波長(zhǎng)精度高，激光輸出功率穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明提出的高精度大功率光纖耦合激光照明裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是激光照明裝置中光束整形準(zhǔn)直器的光路示意圖。
圖3是激光照明裝置中精密溫度控制器的電路原理圖。
圖4是激光照明裝置中環(huán)境溫度控制器的電路原理圖。
圖5是激光驅(qū)動(dòng)器的電路原理圖。
圖2中，1是光纖，2是光纖連接器，3是自聚焦透鏡，4是準(zhǔn)直透鏡組。
圖3中，U1是恒流源，U2～U5是通用運(yùn)算放大器，R1～R8是精密電阻，C1和C2是電容，U4是功率放大器。
圖4中，U6是恒流源，U7～U10是通用運(yùn)算放大器，R9～R16是精密電阻，C4和C3是電容，U5是功率放大器。
圖5中，U12和U13是恒流源，U11是反相器，Q1和Q2是三極管，R17～R22是精密電阻，L1是高頻扼流線圈，D1是激光器。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的高精度大功率光纖耦合激光照明裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括(1)激光驅(qū)動(dòng)器，用于輸出驅(qū)動(dòng)電壓，點(diǎn)亮激光器，激光驅(qū)動(dòng)器與激光器相連；(2)驅(qū)動(dòng)器，用于產(chǎn)生激光照明光源，激光器與光纖耦合器相連；(3)精密溫度控制系統(tǒng)，用于使激光器的工作溫度保持恒定，包括精密溫度控制器、精密溫度傳感器和精密溫度制冷器，所述的精密溫度傳感器和精密溫度制冷器與激光器封裝成一體，并分別與激光器外的精密溫度控制器相連；(4)環(huán)境溫度控制系統(tǒng)，用于使激光器的工作環(huán)境溫度保持恒定，包括環(huán)境溫度控制器、環(huán)境溫度傳感器和環(huán)境溫度制冷器，所述的環(huán)境溫度傳感器和環(huán)境溫度制冷器封裝在精密溫度傳感器和精密溫度制冷器的外部，并分別與激光器外的環(huán)境溫度控制器相連；
(5)光纖耦合器，與激光器相連，用于將激光光束輸出到光束整形準(zhǔn)直器；(6)光束整形準(zhǔn)直器，與光纖耦合器相連，用于對(duì)激光光束進(jìn)行整形和準(zhǔn)直后形成具有設(shè)定發(fā)散角的平行照明激光光束。
本發(fā)明中的溫度控制器的主要功能是設(shè)定激光器的正常工作溫度，監(jiān)視并調(diào)節(jié)激光器的溫度變化，使激光器的工作溫度保持恒定。溫度控制器通過(guò)溫度傳感器測(cè)量激光器的溫度，并與激光器的設(shè)定工作溫度相比較，然后將上述比較結(jié)果通過(guò)補(bǔ)償環(huán)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)器升高或降低激光器的工作溫度。環(huán)境溫控部分包括環(huán)境溫度控制器、環(huán)境溫度傳感器和環(huán)境溫度制冷器，主要是保持激光器的工作環(huán)境的溫度恒定。精密溫控部分包括精密溫度控制器、精密溫度傳感器和精密溫度制冷器，主要是對(duì)激光器的工作溫度微調(diào)，保證輸出激光器輸出精度。
精密溫度制冷器和環(huán)境溫度制冷器由半導(dǎo)體熱電制冷器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)提供一定的驅(qū)動(dòng)電壓，即可制冷或加熱。精密溫度傳感器和環(huán)境溫度傳感器為熱敏電阻。
本發(fā)明的激光照明裝置中的光束整形準(zhǔn)直器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括光纖1、自聚焦透鏡3和準(zhǔn)直透鏡組4。光纖1的一端與激光器相連，另一端通過(guò)光纖連接器2與自聚焦透鏡3相連，自聚焦透鏡3置于準(zhǔn)直透鏡組4的前端。
本發(fā)明激光照明裝置中的光纖耦合器，主要功能將激光器發(fā)射出的激光輸出到光束整形準(zhǔn)直器，可以采用長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為200/230-37 PSC的大芯徑多模光纖。光束整形準(zhǔn)直器將光纖耦合器產(chǎn)生的激光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，形成具有所需要的發(fā)散角的平行光束，即照明激光光束。光束整形準(zhǔn)直器包括自聚焦透鏡3和準(zhǔn)直透鏡組4，也可以使用大恒光電公司生產(chǎn)的的型號(hào)為GCO-24的準(zhǔn)直/聚焦透鏡。
自聚焦透鏡3的主要功能是壓縮激光器的發(fā)散角。設(shè)自聚焦透鏡的折射率分布常數(shù)為A，則自聚焦透鏡的長(zhǎng)度z通常取為z=0.232πA.]]>準(zhǔn)直透鏡組4的主要功能是將經(jīng)過(guò)自聚焦透鏡成像后的激光光斑轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢òl(fā)散角度的平行光束，實(shí)現(xiàn)激光照明。設(shè)所需要的發(fā)散角度為α，經(jīng)過(guò)自聚焦透鏡成像后的成像光斑大小為d，則準(zhǔn)直透鏡組的焦距f為f=dα.]]>本發(fā)明激光照明裝置中的精密溫度控制器的電路圖，如圖3所示。精密溫度傳感器為熱敏電阻R1。恒流源U1的1腳與R1的2腳相連，R1的1腳與地相連。激光器溫度變化使得R1的阻值變化，通過(guò)恒流源使得溫度變化轉(zhuǎn)變成R1的2腳電壓量。U2的2腳與U1的1腳相連，U2的1腳與U1的輸出腳3相連接，U2構(gòu)成電壓射隨器，U2的輸出電壓等于R1的2腳電壓。VREF為參考電壓輸入，該電壓值代表激光器設(shè)定的工作溫度。VREF與R2的1腳相連接，R2的2腳、R5的1腳和U3的1腳相連，R3的1腳與U2的3腳相連接，R3的2腳、R4的2腳和U3的2腳相連接，R5的2腳和U3的3腳相連接。R2、R3、R4、R5和U3構(gòu)成減法運(yùn)算器，U3的3腳輸出電壓等于VREF和R1的2腳的電壓差。U3的3腳和C1的1腳、R6的1腳相連接，U4的2腳通過(guò)R7接地，U4的1腳與C1的2腳、R6的2腳、R8的1腳相連接，R8的2腳和C2的1腳相連接，C2的2腳和U4的3腳相連接。C1、R6、R7、R8、C2和U4構(gòu)成補(bǔ)償環(huán)節(jié)。U5的2腳與U4的3腳相連接，U5的1腳與U5的3腳相連接，U5的輸出電壓等輸入電壓，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)熱電制冷器的驅(qū)動(dòng)電壓COOL_DRV1，使熱電制冷器加熱或制冷。
環(huán)境溫度控制器的電路圖如圖4所示。環(huán)境溫度傳感器為熱敏電阻R16。恒流源U6的1腳與R16的2腳相連，R16的1腳與地相連。激光器溫度變化使得R16的阻值變化，通過(guò)恒流源使得溫度變化轉(zhuǎn)變成R16的2腳電壓量。U7的2腳與U6的1腳相連，U7的1腳與U7的輸出腳3相連接，U7構(gòu)成電壓射隨器，U7的輸出電壓等于R16的2腳電壓。VREF為參考電壓輸入，該電壓值代表激光器設(shè)定的工作溫度。VREF與R15的1腳相連接，R15的2腳、R12的1腳和U8的1腳相連，R14的1腳與U7的3腳相連接，R14的2腳、R13的2腳和U8的2腳相連接，R12的2腳和U8的3腳相連接。R12、R13、R14、R15和U8構(gòu)成減法運(yùn)算器，U8的3腳輸出電壓等于VREF和R16的2腳的電壓差。U8的3腳和C4的1腳、R11的1腳相連接，U9的2腳通過(guò)R10接地，U9的1腳與C4的2腳、R11的2腳、R8的1腳相連接，R9的2腳和C3的1腳相連接，C3的2腳和U9的3腳相連接。C3、R9、R10、R11、C4和U9構(gòu)成補(bǔ)償環(huán)節(jié)。U10的2腳與U9的3腳相連接，U10的1腳與U10的3腳相連接，U10的輸出電壓等輸入電壓，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)熱電制冷器的驅(qū)動(dòng)電壓COOL_DRV2，使環(huán)境溫度控制器的熱電制冷器加熱或制冷。
圖5是本發(fā)明激光照明裝置中所用的激光驅(qū)動(dòng)器的電路原理圖，也可以使用ILXLightwave公司生產(chǎn)的型號(hào)為L(zhǎng)DX3412的激光驅(qū)動(dòng)器。如圖5所示，D1為激光器，發(fā)射激光光束。VLD為激光器驅(qū)動(dòng)器的輸出控制電壓，可以為邏輯高電平，此時(shí)激光器輸出連續(xù)激光照明光束，也可為脈沖電壓，此時(shí)激光器輸出脈沖照明光束。VLD與R17的1腳、反相器U11-A的1腳相連。R17～R19、恒流源U12、三極管Q1和Q2構(gòu)成射極耦合開(kāi)關(guān)電路，開(kāi)關(guān)速度快，使激光器D1的光強(qiáng)發(fā)生調(diào)制。U13與L1為D1提供偏置電流。
權(quán)利要求
1.一種高精度大功率光纖耦合激光照明裝置，其特征在于該裝置包括(1)激光驅(qū)動(dòng)器，用于輸出驅(qū)動(dòng)電壓，點(diǎn)亮激光器，激光驅(qū)動(dòng)器與激光器相連；(2)驅(qū)動(dòng)器，用于產(chǎn)生激光照明光源，激光器與光纖耦合器相連；(3)精密溫度控制系統(tǒng)，用于使激光器的工作溫度保持恒定，包括精密溫度控制器、精密溫度傳感器和精密溫度制冷器，所述的精密溫度傳感器和精密溫度制冷器與激光器封裝成一體，并分別與激光器外的精密溫度控制器相連；(4)環(huán)境溫度控制系統(tǒng)，用于使激光器的工作環(huán)境溫度保持恒定，包括環(huán)境溫度控制器、環(huán)境溫度傳感器和環(huán)境溫度制冷器，所述的環(huán)境溫度傳感器和環(huán)境溫度制冷器封裝在精密溫度傳感器和精密溫度制冷器的外部，并分別與激光器外的環(huán)境溫度控制器相連；(5)光纖耦合器，與激光器相連，用于將激光光束輸出到光束整形準(zhǔn)直器；(6)光束整形準(zhǔn)直器，與光纖耦合器相連，用于對(duì)激光光束進(jìn)行整形和準(zhǔn)直后形成具有設(shè)定發(fā)散角的平行照明激光光束。
2.如權(quán)利要求1所述的激光照明裝置，其特征在于其中所述的光束整形準(zhǔn)直器包括光纖、自聚焦透鏡和準(zhǔn)直透鏡組，所述的光纖的一端與激光器相連，另一端通過(guò)光纖連接器與自聚焦透鏡相連，自聚焦透鏡置于準(zhǔn)直透鏡組的前端；所述的自聚焦透鏡的長(zhǎng)度z=0.232πA,]]>其中A為自聚焦透鏡的折射率分布常數(shù)；所述的準(zhǔn)直透鏡組的焦距f=dα,]]>其中α為激光照明光束的發(fā)散角，d為自聚焦透鏡成像后的成像光斑直徑。
全文摘要
本發(fā)明提出的高精度大功率光纖耦合激光照明裝置，屬于激光照明領(lǐng)域。包括用于輸出驅(qū)動(dòng)電壓，點(diǎn)亮激光器的激光驅(qū)動(dòng)器，用于產(chǎn)生激光照明光源的驅(qū)動(dòng)器，用于使激光器的工作溫度保持恒定的精密溫度控制系統(tǒng)，用于使激光器的工作環(huán)境溫度保持恒定的環(huán)境溫度控制系統(tǒng)，用于將激光光束輸出到光束整形準(zhǔn)直器的光纖耦合器，用于對(duì)激光光束進(jìn)行整形和準(zhǔn)直后形成具有設(shè)定發(fā)散角的平行照明激光光束的光束整形準(zhǔn)直器。本發(fā)明的照明裝置，采用自聚焦透鏡與光纖耦合相結(jié)合的方法產(chǎn)生激光照明光束，能充分利用激光光束能量，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工制造、成本低等特點(diǎn)，產(chǎn)生的激光照明的光束具有波長(zhǎng)穩(wěn)定、波長(zhǎng)精度高，激光輸出功率穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B27/09GK1743898SQ20051010836
公開(kāi)日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者左昉, 張建勇 申請(qǐng)人:左昉, 張建勇