本實(shí)用新型屬于激光合束技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到一種基于半導(dǎo)體激光合束技術(shù)的白光激光器。

背景技術(shù)：

激光是繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后人類又一重要發(fā)明，在20世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，早已在通信、醫(yī)療、加工等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

傳統(tǒng)激光應(yīng)用行業(yè)，絕大多數(shù)是利用高單色性的特點(diǎn)，使用單色激光器作為光源，如醫(yī)療領(lǐng)域，針對(duì)不同病灶采用不同波長(zhǎng)的單色激光，對(duì)癥治療，可達(dá)到良好的治療效果；加工領(lǐng)域，利用金屬吸收效率較高的1064nm近紅外激光進(jìn)行切割、打標(biāo)等操作，達(dá)到加工效率高，質(zhì)量好，節(jié)約能源的目的。

而在近年來(lái)新興的無(wú)線激光通信、激光照明、激光成像、激光顯示等的激光應(yīng)用領(lǐng)域，單色激光的應(yīng)用受到了很大限制。為拓展激光應(yīng)用領(lǐng)域，充分利用激光高亮度等優(yōu)點(diǎn)，科學(xué)家及工程師們已著手開(kāi)發(fā)白激光光源。

在激光照明領(lǐng)域，美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，利用白光LED照明每瓦至多產(chǎn)生150流明，而白激光每瓦能產(chǎn)生400流明，另外利用白色激光還能帶來(lái)比常規(guī)顯示器顏色更鮮艷、對(duì)比度更高的顯示器。在激光遠(yuǎn)距離夜視照明系統(tǒng)中，白光激光器照明也可以獲得傳統(tǒng)紅外激光照明無(wú)法獲得的彩色圖像。

在無(wú)線激光通信領(lǐng)域，白色激光一個(gè)潛在應(yīng)用是“Li-Fi”，即使用光把設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，它能比Wi-Fi快10倍以上。而目前針對(duì)Li-Fi的研究采用的是LED光源，而采用白激光作為光源的Li-Fi將比LED快10倍以上。

由于激光固有屬性和單色性的特點(diǎn)，白激光的研發(fā)一直少有突破。而近年來(lái)隨著激光技術(shù)的發(fā)展和成熟，科學(xué)家和工程師們?cè)诎准す夤庠撮_(kāi)發(fā)上逐步取得進(jìn)展。

目前白激光的生成通常采用紅、綠、藍(lán)三基色波段激光按一定比例混合而成。美國(guó)在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，亞利桑那州立大學(xué)研制出一種新型的半導(dǎo)體納米薄片，可同時(shí)發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種波段激光，當(dāng)三種激光相遇時(shí)，就出現(xiàn)白激光。但國(guó)內(nèi)專家指出，該成果目前只處于實(shí)驗(yàn)室階段，且同樣屬于三基色激光混合成白激光的方式。

在白激光研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)高校、研究所等科研單位以及一些企業(yè)單位也正在研發(fā)并取得一定成果。同樣是將紅、綠、藍(lán)三種波段激光混合獲得白激光，國(guó)內(nèi)不同研究單位及企業(yè)采用了不同方式。

傳統(tǒng)方式有采用三波長(zhǎng)固體激光器混合，或采用一束單色激光泵浦混合染料輸出紅、綠、藍(lán)三基色，并混合獲得白光激光器。其特點(diǎn)是技術(shù)成熟，功率較高，但通常這種激光器尺寸較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且激光穩(wěn)定性較差。

新型的方式有采用光纖合束的方式或光譜合束、偏振合束的半導(dǎo)體激光合束的方式將三基色激光混合獲得白光激光器。與傳統(tǒng)方式相比，新型的白光激光獲得方式簡(jiǎn)化了激光器結(jié)構(gòu)，更易實(shí)現(xiàn)白光激光器小型化，方便激光器在無(wú)線激光通信、激光成像、激光顯示等領(lǐng)域的應(yīng)用。但與傳統(tǒng)技術(shù)相比，國(guó)內(nèi)新型的白光激光獲得技術(shù)處于起步階段，有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與優(yōu)化。

我們采用不同于以上研發(fā)成果的技術(shù)和方式，基于半導(dǎo)體激光合束技術(shù)，采用一種新的半導(dǎo)體激光合束方式和結(jié)構(gòu)，發(fā)明了一種新型半導(dǎo)體白光激光器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種基于半導(dǎo)體激光合束技術(shù)的白光激光器，其特征是：包括階梯型熱沉、450nm半導(dǎo)體激光光源、450nm快軸準(zhǔn)直透鏡、450nm慢軸準(zhǔn)直透鏡、450nm反射鏡、450nm分光鏡、450nm探測(cè)器、520nm半導(dǎo)體激光光源、520nm快軸準(zhǔn)直透鏡、520nm慢軸準(zhǔn)直透鏡、520nm反射鏡、520nm分光鏡、520nm探測(cè)器、650nm半導(dǎo)體激光光源、650nm快軸準(zhǔn)直透鏡、650nm慢軸準(zhǔn)直透鏡、650nm反射鏡、650nm分光鏡、650nm探測(cè)器和消色差聚焦透鏡，所述階梯型熱沉的上表面呈三層階梯狀結(jié)構(gòu)，分別為最高階梯層、中間階梯層和最低階梯層；所述最高階梯層上依次固定安裝有450nm半導(dǎo)體激光光源、450nm快軸準(zhǔn)直透鏡、450nm慢軸準(zhǔn)直透鏡、450nm分光鏡、450nm探測(cè)器和450nm反射鏡；所述中間階梯層上依次固定安裝有520nm半導(dǎo)體激光光源、520nm快軸準(zhǔn)直透鏡、520nm慢軸準(zhǔn)直透鏡、520nm分光鏡、520nm探測(cè)器和520nm反射鏡；所述最低階梯層上依次固定安裝有650nm半導(dǎo)體激光光源、650nm快軸準(zhǔn)直透鏡、650nm慢軸準(zhǔn)直透鏡、650nm分光鏡、650nm探測(cè)器和650nm反射鏡；

所述450nm半導(dǎo)體激光光源發(fā)射藍(lán)色激光，經(jīng)過(guò)450nm快軸準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行快軸準(zhǔn)直，再經(jīng)過(guò)450nm慢軸準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行慢軸準(zhǔn)直，然后以45°入射角入射至450nm反射鏡，光路方向改變90°，入射至消色差聚焦透鏡；所述450nm分光鏡固定安裝在450nm慢軸準(zhǔn)直透鏡與450nm反射鏡之間，450nm分光鏡反射出的激光入射至450nm探測(cè)器；所述450nm探測(cè)器通過(guò)導(dǎo)線與激光驅(qū)動(dòng)器連接；

所述520nm半導(dǎo)體激光光源發(fā)射綠色激光，經(jīng)過(guò)520nm快軸準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行快軸準(zhǔn)直，再經(jīng)過(guò)520nm慢軸準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行慢軸準(zhǔn)直，然后以45°入射角入射至520nm反射鏡，光路方向改變90°，入射至消色差聚焦透鏡；所述520nm分光鏡固定安裝在520nm慢軸準(zhǔn)直透鏡與520nm反射鏡之間，520nm分光鏡反射出的激光入射至520nm探測(cè)器；所述520nm探測(cè)器通過(guò)導(dǎo)線與激光驅(qū)動(dòng)器連接；

所述650nm半導(dǎo)體激光光源發(fā)射紅色激光，經(jīng)過(guò)650nm快軸準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行快軸準(zhǔn)直，再經(jīng)過(guò)650nm慢軸準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行慢軸準(zhǔn)直，然后以45°入射角入射至650nm反射鏡，光路方向改變90°，入射至消色差聚焦透鏡；所述650nm分光鏡固定安裝在650nm慢軸準(zhǔn)直透鏡與650nm反射鏡之間，650nm分光鏡反射出的激光入射至650nm探測(cè)器；所述650nm探測(cè)器通過(guò)導(dǎo)線與激光驅(qū)動(dòng)器連接；

所述消色差聚焦透鏡位于階梯型熱沉的一側(cè)，消色差聚焦透鏡將三種波長(zhǎng)激光聚焦到同一光斑，混合成白光激光，并輸出；所述激光驅(qū)動(dòng)器分別通過(guò)導(dǎo)線與450nm半導(dǎo)體激光光源、520nm半導(dǎo)體激光光源以及650nm半導(dǎo)體激光光源連接。

所述入射至消色差聚焦透鏡的三種波長(zhǎng)激光在同一豎直平面沿同一方向傳播。

所述中間階梯層與最高階梯層之間的高度差為1mm，中間階梯層與最低階梯層之間的高度差為1mm。

所述450nm快軸準(zhǔn)直透鏡、520nm快軸準(zhǔn)直透鏡和650nm快軸準(zhǔn)直透鏡均為截面為D形的非球面聚焦柱透鏡。

所述450nm慢軸準(zhǔn)直透鏡、520nm慢軸準(zhǔn)直透鏡和650nm慢軸準(zhǔn)直透鏡均為截面為D形的球面聚焦柱透鏡。

所述450nm反射鏡、520nm反射鏡和650nm反射鏡均為平面反光鏡。

所述450nm分光鏡、520nm分光鏡和650nm分光鏡均為平板玻璃鏡。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)方案，本實(shí)用新型可以帶來(lái)如下有益效果：

本實(shí)用新型中的階梯型熱沉通過(guò)階梯型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使波長(zhǎng)分別為450nm、520nm、650nm的三束激光在同一豎直方向沿同一方向傳播；消色差聚焦透鏡，采用消色差設(shè)計(jì)，用于將三種波長(zhǎng)激光聚焦于同一焦點(diǎn)，生成白光激光。通過(guò)本實(shí)用新型獲得一種聚焦光斑很小的白光激光器，后端可耦合進(jìn)光纖，或其他器件傳輸。

本實(shí)用新型設(shè)置的光電探測(cè)器，對(duì)每種波長(zhǎng)激光功率的檢測(cè)，并通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各波長(zhǎng)激光功率，保證激光器運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)也保證了各波長(zhǎng)激光傳輸比例的穩(wěn)定性。

本實(shí)用新型具有體積小、激光穩(wěn)定性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)的特點(diǎn)，能夠獲得不同功率參數(shù)的白光激光，可廣泛應(yīng)用于無(wú)線激光通信、激光照明、激光成像、激光顯示等領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明：

圖1為本實(shí)用新型一種基于半導(dǎo)體激光合束技術(shù)的白光激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型一種基于半導(dǎo)體激光合束技術(shù)的白光激光器中快軸準(zhǔn)直示意圖。

圖3為本實(shí)用新型一種基于半導(dǎo)體激光合束技術(shù)的白光激光器中慢軸準(zhǔn)直示意圖。

圖4為本實(shí)用新型一種基于半導(dǎo)體激光合束技術(shù)的白光激光器中階梯型熱沉A-A方向的截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本實(shí)用新型一種基于半導(dǎo)體激光合束技術(shù)的白光激光器中經(jīng)各自反射鏡后三個(gè)波長(zhǎng)的三束激光光斑截面示意圖。

圖中，1-階梯型熱沉、2-最高階梯層、3-中間階梯層、4-最低階梯層、201-450nm半導(dǎo)體激光光源、202-450nm快軸準(zhǔn)直透鏡、203-450nm慢軸準(zhǔn)直透鏡、204-450nm反射鏡、205-450nm分光鏡、206-450nm探測(cè)器、301-520nm半導(dǎo)體激光光源、302-520nm快軸準(zhǔn)直透鏡、303-520nm慢軸準(zhǔn)直透鏡、304-520nm反射鏡、305-520nm分光鏡、306-520nm探測(cè)器、401-650nm半導(dǎo)體激光光源、402-650nm快軸準(zhǔn)直透鏡、403-650nm慢軸準(zhǔn)直透鏡、404-650nm反射鏡、405-650nm分光鏡、406-650nm探測(cè)器、5-消色差聚焦透鏡。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種基于半導(dǎo)體激光合束技術(shù)的白光激光器，其特征是：包括階梯型熱沉1、450nm半導(dǎo)體激光光源201、450nm快軸準(zhǔn)直透鏡202、450nm慢軸準(zhǔn)直透鏡203、450nm反射鏡204、450nm分光鏡205、450nm探測(cè)器206、520nm半導(dǎo)體激光光源301、520nm快軸準(zhǔn)直透鏡302、520nm慢軸準(zhǔn)直透鏡303、520nm反射鏡304、520nm分光鏡305、520nm探測(cè)器306、650nm半導(dǎo)體激光光源401、650nm快軸準(zhǔn)直透鏡402、650nm慢軸準(zhǔn)直透鏡403、650nm反射鏡404、650nm分光鏡405、650nm探測(cè)器406和消色差聚焦透鏡5。

所述階梯型熱沉1的上表面呈三層階梯狀結(jié)構(gòu)，分別為最高階梯層2、中間階梯層3和最低階梯層4；所述最高階梯層2上依次固定安裝有450nm半導(dǎo)體激光光源201、450nm快軸準(zhǔn)直透鏡202、450nm慢軸準(zhǔn)直透鏡203、450nm分光鏡205、450nm探測(cè)器206和450nm反射鏡204；所述中間階梯層3上依次固定安裝有520nm半導(dǎo)體激光光源301、520nm快軸準(zhǔn)直透鏡302、520nm慢軸準(zhǔn)直透鏡303、520nm分光鏡305、520nm探測(cè)器306和520nm反射鏡304；所述最低階梯層4上依次固定安裝有650nm半導(dǎo)體激光光源401、650nm快軸準(zhǔn)直透鏡402、650nm慢軸準(zhǔn)直透鏡403、650nm分光鏡405、650nm探測(cè)器406和650nm反射鏡404；

所述450nm半導(dǎo)體激光光源201、520nm半導(dǎo)體激光光源301、650nm半導(dǎo)體激光光源401分別輸出450nm、520nm、650nm激光，分別為藍(lán)、綠、紅三基色激光，首先分別經(jīng)過(guò)各自波長(zhǎng)所述450nm快軸準(zhǔn)直透鏡202、520nm快軸準(zhǔn)直透鏡302、650nm快軸準(zhǔn)直透鏡402，進(jìn)行快軸準(zhǔn)直；再經(jīng)過(guò)各自所述450nm慢軸準(zhǔn)直透鏡203、520nm慢軸準(zhǔn)直透鏡303、650nm慢軸準(zhǔn)直透鏡403，進(jìn)行慢軸準(zhǔn)直；以45°入射角入射各自所述450nm反射鏡204、520nm反射鏡304、650nm反射鏡404，光路方向改變90°；通過(guò)所述階梯型熱沉1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使波長(zhǎng)分別為450nm、520nm、650nm的三束激光在同一豎直方向沿同一方向傳播；所述消色差聚焦透鏡5在激光輸出端，用于將三種波長(zhǎng)激光聚焦到同一光斑，混合成白光激光；所述450nm分光鏡205、520nm分光鏡305、650nm分光鏡405分別安裝在各自波長(zhǎng)所述450nm慢軸準(zhǔn)直透鏡203、520nm慢軸準(zhǔn)直透鏡303、650nm慢軸準(zhǔn)直透鏡403與所述450nm反射鏡204、520nm反射鏡304、650nm反射鏡404之間，用于改變一下部分激光傳播方向；經(jīng)所述450nm分光鏡205、520nm分光鏡305、650nm分光鏡405改變方向的一小部分激光分別照射到各自所述450nm探測(cè)器206、520nm探測(cè)器306、650nm探測(cè)器406上，所述450nm探測(cè)器206、520nm探測(cè)器306、650nm探測(cè)器406可將各自波長(zhǎng)激光功率轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)線傳遞給激光驅(qū)動(dòng)器，用于調(diào)節(jié)各波長(zhǎng)激光驅(qū)動(dòng)電流，保證各波長(zhǎng)激光功率穩(wěn)定性及混合比例的穩(wěn)定性。

所述450nm半導(dǎo)體激光光源201、520nm半導(dǎo)體激光光源301和650nm半導(dǎo)體激光光源401均為單元半導(dǎo)體激光器，功率為10mW～50mW可調(diào)，可通過(guò)導(dǎo)線與激光驅(qū)動(dòng)器連接，由激光驅(qū)動(dòng)器提供電流，功率與驅(qū)動(dòng)電流呈線性關(guān)系，電流越大，功率越高。由于所述450nm半導(dǎo)體激光光源201、520nm半導(dǎo)體激光光源301和650nm半導(dǎo)體激光光源401均為單元半導(dǎo)體激光器，發(fā)出的激光分為快軸和慢軸兩個(gè)方向，其中快軸方向?yàn)樨Q直方向，發(fā)散角較大，約30°～70°，慢軸方向?yàn)樗椒较?，發(fā)散角較小，約為8°～10°。由于快慢軸發(fā)散角不均勻，需要分別針對(duì)三個(gè)波長(zhǎng)快軸和慢軸進(jìn)行準(zhǔn)直。

針對(duì)三個(gè)波長(zhǎng)激光快軸方向準(zhǔn)直如圖2所示。由于快軸方向發(fā)散角較大，所述450nm快軸準(zhǔn)直透鏡202、520nm快軸準(zhǔn)直透鏡302和650nm快軸準(zhǔn)直透鏡402均為截面為D形的非球面聚焦柱透鏡，針對(duì)各自波長(zhǎng)鍍?cè)鐾改?，透過(guò)率大于99％，可將各自波長(zhǎng)激光快軸方向發(fā)散角壓縮到幾毫弧度數(shù)量級(jí)。

針對(duì)三個(gè)波長(zhǎng)激光慢軸方向準(zhǔn)直如圖3所示。所述450nm慢軸準(zhǔn)直透鏡203、520nm慢軸準(zhǔn)直透鏡303和650nm慢軸準(zhǔn)直透鏡403均為截面為D形的球面聚焦柱透鏡，針對(duì)各自波長(zhǎng)鍍?cè)鐾改?，透過(guò)率大于99％，可將各自波長(zhǎng)激光快軸方向發(fā)散角壓縮到幾十毫弧度數(shù)量級(jí)。

所述450nm反射鏡204、520nm反射鏡304和650nm反射鏡404均為平面反光鏡，用于改變各自波長(zhǎng)激光光路方向，使三個(gè)波長(zhǎng)激光在同一豎直平面內(nèi)沿同一方向傳播。針對(duì)各自波長(zhǎng)激光45°入射角鍍有高反射膜，反射率大于99％。

所述階梯型熱沉1為無(wú)氧銅材質(zhì)，作為半導(dǎo)體激光光源的底座，用于傳導(dǎo)半導(dǎo)體激光光源產(chǎn)生的熱量。所述階梯型熱沉1通過(guò)階梯型設(shè)計(jì)，使三支所述半導(dǎo)體激光光源及各自所述快軸準(zhǔn)直透鏡、慢軸準(zhǔn)直透鏡、反光鏡、分光鏡等安裝在不同階梯上，產(chǎn)生1mm左右高度差，使三種顏色的三束激光經(jīng)各自所述反射鏡后在同一豎直面上沿同一方向傳輸。經(jīng)反射鏡反射后的三束激光在豎直方向高度差分別為1mm，如圖5所示。經(jīng)過(guò)所述消色差聚焦透鏡5之前，光斑在豎直平面內(nèi)在水平方向沿同一方向傳輸，450nm激光光斑、520nm激光光斑和650nm激光光斑由上而下分別相差1mm。

所述消色差聚焦透鏡5，采用消色差設(shè)計(jì)，用于將三種波長(zhǎng)激光聚焦于同一焦點(diǎn)，生成白光激光。消色差聚焦透鏡5的后端可以耦合進(jìn)光纖或者其他器件。

所述450nm分光鏡205、520nm分光鏡305和650nm分光鏡405均為平板玻璃鏡，針對(duì)各自波長(zhǎng)激光45°入射角鍍一定反射率膜，透過(guò)率90％，反射率為10％。用于改變一小部分激光光路方向，使其能入射各自波長(zhǎng)所述450nm探測(cè)器206、520nm探測(cè)器306、650nm探測(cè)器406。

所述450nm探測(cè)器206、520nm探測(cè)器306和650nm探測(cè)器406均用于響應(yīng)各自波長(zhǎng)激光并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，可通過(guò)導(dǎo)線與激光驅(qū)動(dòng)器連接。通過(guò)對(duì)每種波長(zhǎng)激光功率的檢測(cè)，可通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各波長(zhǎng)激光功率，保證激光器運(yùn)行的穩(wěn)定性，并保證各波長(zhǎng)激光傳輸比例的穩(wěn)定性。