专利名称：高精度大功率光纤耦合激光照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高精度大功率光纤耦合激光照明装置，尤其涉及大功率激光照明，属于激光照明领域。
背景技术：
半导体激光器具有体积小、容易泵浦、效率高、能直接调制等优点。近年来随着其技术的不断发展，它在泵浦固体激光器、材料加工、医学诊断与治疗、空间通信、光存储等方面已得到广泛的应用.但它存在着发散角大、水平方向和垂直方向发散角相差很大的缺点，尤其是大功率半导体激光器，这两个方向的发散角相差可高达6∶1，给使用带来了极大的不便。
针对大功率半导体激光器红外远距离照明系统，在使用中一方面要求照明光斑的形状呈圆形，同时还要求随着照明距离的变化即随着视场角的改变，照明光斑的形状应仍保持或接近圆形；另一方面基于实用化的要求，系统应做到体积小、重量轻、易于装调、结构紧凑等特点。
多年来，为了使半导体激光器应用于激光照明领域，人们已经进行了大量研究工作。例如，采用几何透镜组合准直系统，它可达到较高的数值孔径，但对元件的加工要求较高，装调较复杂；用变形棱镜消像散、整形系统，它功能完善，但调试和使用较困难；用光纤微透镜耦合系统，耦合效率较高、结构紧凑、制作简单，但偏移容差小使之难于调整、稳定性不；基于光的衍射原理、采用微电子工艺加工的衍射光学元件，虽然其体积小、重量轻、易于复制、可实现任意形状的波面变换等特点，但是生产成本高，不利用大规模工业应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种高精度大功率光纤耦合激光照明装置，针对已有技术的缺点，设计低成本、高精度、易于工业化生成的激光照明光源。
本发明提出的高精度大功率光纤耦合激光照明装置，包括(1)激光驱动器，用于输出驱动电压，点亮激光器，激光驱动器与激光器相连；(2)驱动器，用于产生激光照明光源，激光器与光纤耦合器相连；(3)精密温度控制系统，用于使激光器的工作温度保持恒定，包括精密温度控制器、精密温度传感器和精密温度制冷器，所述的精密温度传感器和精密温度制冷器与激光器封装成一体，并分别与激光器外的精密温度控制器相连；(4)环境温度控制系统，用于使激光器的工作环境温度保持恒定，包括环境温度控制器、环境温度传感器和环境温度制冷器，所述的环境温度传感器和环境温度制冷器封装在精密温度传感器和精密温度制冷器的外部，并分别与激光器外的环境温度控制器相连；(5)光纤耦合器，与激光器相连，用于将激光光束输出到光束整形准直器；
(6)光束整形准直器，与光纤耦合器相连，用于对激光光束进行整形和准直后形成具有设定发散角的平行照明激光光束。
上述激光照明装置中的光束整形准直器包括光纤、自聚焦透镜和准直透镜组，所述的光纤的一端与激光器相连，另一端通过光纤连接器与自聚焦透镜相连，自聚焦透镜置于准直透镜组的前端；所述的自聚焦透镜的长度z=0.232πA,]]>其中A为自聚焦透镜的折射率分布常数；所述的准直透镜组的焦距f=dα,]]>其中α为激光照明光束的发散角，d为自聚焦透镜成像后的成像光斑直径。
本发明提出的高精度大功率光纤耦合激光照明装置，采用自聚焦透镜与光纤耦合相结合的方法产生激光照明光束，能充分利用激光光束能量，具有体积小、结构简单、易加工制造、成本低等特点。本发明采用二级激光器温度控制，即激光器的工作和环境温度分别控制，使得产生激光照明的光束具有波长稳定、波长精度高，激光输出功率稳定等优点。
图1是本发明提出的高精度大功率光纤耦合激光照明装置的结构框图。
图2是激光照明装置中光束整形准直器的光路示意图。
图3是激光照明装置中精密温度控制器的电路原理图。
图4是激光照明装置中环境温度控制器的电路原理图。
图5是激光驱动器的电路原理图。
图2中，1是光纤，2是光纤连接器，3是自聚焦透镜，4是准直透镜组。
图3中，U1是恒流源，U2～U5是通用运算放大器，R1～R8是精密电阻，C1和C2是电容，U4是功率放大器。
图4中，U6是恒流源，U7～U10是通用运算放大器，R9～R16是精密电阻，C4和C3是电容，U5是功率放大器。
图5中，U12和U13是恒流源，U11是反相器，Q1和Q2是三极管，R17～R22是精密电阻，L1是高频扼流线圈，D1是激光器。
具体实施例方式
本发明提出的高精度大功率光纤耦合激光照明装置，其结构如图1所示，包括(1)激光驱动器，用于输出驱动电压，点亮激光器，激光驱动器与激光器相连；(2)驱动器，用于产生激光照明光源，激光器与光纤耦合器相连；(3)精密温度控制系统，用于使激光器的工作温度保持恒定，包括精密温度控制器、精密温度传感器和精密温度制冷器，所述的精密温度传感器和精密温度制冷器与激光器封装成一体，并分别与激光器外的精密温度控制器相连；(4)环境温度控制系统，用于使激光器的工作环境温度保持恒定，包括环境温度控制器、环境温度传感器和环境温度制冷器，所述的环境温度传感器和环境温度制冷器封装在精密温度传感器和精密温度制冷器的外部，并分别与激光器外的环境温度控制器相连；
(5)光纤耦合器，与激光器相连，用于将激光光束输出到光束整形准直器；(6)光束整形准直器，与光纤耦合器相连，用于对激光光束进行整形和准直后形成具有设定发散角的平行照明激光光束。
本发明中的温度控制器的主要功能是设定激光器的正常工作温度，监视并调节激光器的温度变化，使激光器的工作温度保持恒定。温度控制器通过温度传感器测量激光器的温度，并与激光器的设定工作温度相比较，然后将上述比较结果通过补偿环节和温度调节器升高或降低激光器的工作温度。环境温控部分包括环境温度控制器、环境温度传感器和环境温度制冷器，主要是保持激光器的工作环境的温度恒定。精密温控部分包括精密温度控制器、精密温度传感器和精密温度制冷器，主要是对激光器的工作温度微调，保证输出激光器输出精度。
精密温度制冷器和环境温度制冷器由半导体热电制冷器实现，通过提供一定的驱动电压，即可制冷或加热。精密温度传感器和环境温度传感器为热敏电阻。
本发明的激光照明装置中的光束整形准直器，其结构如图2所示，包括光纤1、自聚焦透镜3和准直透镜组4。光纤1的一端与激光器相连，另一端通过光纤连接器2与自聚焦透镜3相连，自聚焦透镜3置于准直透镜组4的前端。
本发明激光照明装置中的光纤耦合器，主要功能将激光器发射出的激光输出到光束整形准直器，可以采用长飞光纤光缆有限公司生产的型号为200/230-37 PSC的大芯径多模光纤。光束整形准直器将光纤耦合器产生的激光通过光学系统准直后，形成具有所需要的发散角的平行光束，即照明激光光束。光束整形准直器包括自聚焦透镜3和准直透镜组4，也可以使用大恒光电公司生产的的型号为GCO-24的准直/聚焦透镜。
自聚焦透镜3的主要功能是压缩激光器的发散角。设自聚焦透镜的折射率分布常数为A，则自聚焦透镜的长度z通常取为z=0.232πA.]]>准直透镜组4的主要功能是将经过自聚焦透镜成像后的激光光斑转变为具有一定发散角度的平行光束，实现激光照明。设所需要的发散角度为α，经过自聚焦透镜成像后的成像光斑大小为d，则准直透镜组的焦距f为f=dα.]]>本发明激光照明装置中的精密温度控制器的电路图，如图3所示。精密温度传感器为热敏电阻R1。恒流源U1的1脚与R1的2脚相连，R1的1脚与地相连。激光器温度变化使得R1的阻值变化，通过恒流源使得温度变化转变成R1的2脚电压量。U2的2脚与U1的1脚相连，U2的1脚与U1的输出脚3相连接，U2构成电压射随器，U2的输出电压等于R1的2脚电压。VREF为参考电压输入，该电压值代表激光器设定的工作温度。VREF与R2的1脚相连接，R2的2脚、R5的1脚和U3的1脚相连，R3的1脚与U2的3脚相连接，R3的2脚、R4的2脚和U3的2脚相连接，R5的2脚和U3的3脚相连接。R2、R3、R4、R5和U3构成减法运算器，U3的3脚输出电压等于VREF和R1的2脚的电压差。U3的3脚和C1的1脚、R6的1脚相连接，U4的2脚通过R7接地，U4的1脚与C1的2脚、R6的2脚、R8的1脚相连接，R8的2脚和C2的1脚相连接，C2的2脚和U4的3脚相连接。C1、R6、R7、R8、C2和U4构成补偿环节。U5的2脚与U4的3脚相连接，U5的1脚与U5的3脚相连接，U5的输出电压等输入电压，产生驱动热电制冷器的驱动电压COOL_DRV1，使热电制冷器加热或制冷。
环境温度控制器的电路图如图4所示。环境温度传感器为热敏电阻R16。恒流源U6的1脚与R16的2脚相连，R16的1脚与地相连。激光器温度变化使得R16的阻值变化，通过恒流源使得温度变化转变成R16的2脚电压量。U7的2脚与U6的1脚相连，U7的1脚与U7的输出脚3相连接，U7构成电压射随器，U7的输出电压等于R16的2脚电压。VREF为参考电压输入，该电压值代表激光器设定的工作温度。VREF与R15的1脚相连接，R15的2脚、R12的1脚和U8的1脚相连，R14的1脚与U7的3脚相连接，R14的2脚、R13的2脚和U8的2脚相连接，R12的2脚和U8的3脚相连接。R12、R13、R14、R15和U8构成减法运算器，U8的3脚输出电压等于VREF和R16的2脚的电压差。U8的3脚和C4的1脚、R11的1脚相连接，U9的2脚通过R10接地，U9的1脚与C4的2脚、R11的2脚、R8的1脚相连接，R9的2脚和C3的1脚相连接，C3的2脚和U9的3脚相连接。C3、R9、R10、R11、C4和U9构成补偿环节。U10的2脚与U9的3脚相连接，U10的1脚与U10的3脚相连接，U10的输出电压等输入电压，产生驱动热电制冷器的驱动电压COOL_DRV2，使环境温度控制器的热电制冷器加热或制冷。
图5是本发明激光照明装置中所用的激光驱动器的电路原理图，也可以使用ILXLightwave公司生产的型号为LDX3412的激光驱动器。如图5所示，D1为激光器，发射激光光束。VLD为激光器驱动器的输出控制电压，可以为逻辑高电平，此时激光器输出连续激光照明光束，也可为脉冲电压，此时激光器输出脉冲照明光束。VLD与R17的1脚、反相器U11-A的1脚相连。R17～R19、恒流源U12、三极管Q1和Q2构成射极耦合开关电路，开关速度快，使激光器D1的光强发生调制。U13与L1为D1提供偏置电流。
权利要求
1.一种高精度大功率光纤耦合激光照明装置，其特征在于该装置包括(1)激光驱动器，用于输出驱动电压，点亮激光器，激光驱动器与激光器相连；(2)驱动器，用于产生激光照明光源，激光器与光纤耦合器相连；(3)精密温度控制系统，用于使激光器的工作温度保持恒定，包括精密温度控制器、精密温度传感器和精密温度制冷器，所述的精密温度传感器和精密温度制冷器与激光器封装成一体，并分别与激光器外的精密温度控制器相连；(4)环境温度控制系统，用于使激光器的工作环境温度保持恒定，包括环境温度控制器、环境温度传感器和环境温度制冷器，所述的环境温度传感器和环境温度制冷器封装在精密温度传感器和精密温度制冷器的外部，并分别与激光器外的环境温度控制器相连；(5)光纤耦合器，与激光器相连，用于将激光光束输出到光束整形准直器；(6)光束整形准直器，与光纤耦合器相连，用于对激光光束进行整形和准直后形成具有设定发散角的平行照明激光光束。
2.如权利要求1所述的激光照明装置，其特征在于其中所述的光束整形准直器包括光纤、自聚焦透镜和准直透镜组，所述的光纤的一端与激光器相连，另一端通过光纤连接器与自聚焦透镜相连，自聚焦透镜置于准直透镜组的前端；所述的自聚焦透镜的长度z=0.232πA,]]>其中A为自聚焦透镜的折射率分布常数；所述的准直透镜组的焦距f=dα,]]>其中α为激光照明光束的发散角，d为自聚焦透镜成像后的成像光斑直径。
全文摘要
本发明提出的高精度大功率光纤耦合激光照明装置，属于激光照明领域。包括用于输出驱动电压，点亮激光器的激光驱动器，用于产生激光照明光源的驱动器，用于使激光器的工作温度保持恒定的精密温度控制系统，用于使激光器的工作环境温度保持恒定的环境温度控制系统，用于将激光光束输出到光束整形准直器的光纤耦合器，用于对激光光束进行整形和准直后形成具有设定发散角的平行照明激光光束的光束整形准直器。本发明的照明装置，采用自聚焦透镜与光纤耦合相结合的方法产生激光照明光束，能充分利用激光光束能量，具有体积小、结构简单、易加工制造、成本低等特点，产生的激光照明的光束具有波长稳定、波长精度高，激光输出功率稳定等优点。
文档编号G02B27/09GK1743898SQ20051010836
公开日2006年3月8日 申请日期2005年10月14日 优先权日2005年10月14日
发明者左昉, 张建勇 申请人:左昉, 张建勇