光纤侧面对激光整形的发光装置的制作方法

1.本发明涉及照明技术领域，具体地说，涉及激光芯片发射的激光依靠光纤整形的光纤侧面对激光整形的发光装置。


背景技术：

2.随着激光照明技术的发展，激光装置的需求及应用越来越广泛。激光芯片发射的激光在水平方向平行于发光区长条方向是慢轴方向，竖直方向垂直于发光区长条方向是快轴方向，激光芯片所发出的激光在快轴方向的发光角度与慢轴方向的发光角度不同，通常是快轴方向的发光角度大于慢轴方向的发光角度。快轴和慢轴发光角度的不同，导致激光芯片发出的激光光束为发散的长条形光束，这使得激光芯片应用率不高，尤其是在照明领域中激光装置作为光源的时候，必须对快轴和慢轴的角分布进行调整。
3.现有的激光装置调整上述角分布所采用的技术普遍结构复杂、体积大、成品率低、推广应用困难。如专利公开号cn104991347a公开了一种基于微透镜阵列的激光整形照明器，其包括了准直系统、微透镜阵列组及扩束系统，该专利需要准直系统、微透镜阵列组及扩束系统相配合，该专利的结构复杂、装配过程中校准困难、而且体积大、推广应用难度高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述传统技术的不足之处，针对现有技术的不足，发明一种具有调整激光芯片所发出的激光角分布功能的光纤侧面对激光整形的发光装置。
5.为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：光纤侧面对激光整形的发光装置，包括激光芯片，激光芯片包括发光区，发光区平行结平面方向为慢轴，垂直结平面方向为快轴，快轴的发光角度大于慢轴的发光角度，其特征在于：还包括第一光纤，所述第一光纤设置在激光芯片设置有发光区的一侧，发光区快轴所在的平面与第一光纤的轴向垂直，所述发光区朝向第一光纤的侧面发射激光，激光从侧面穿过第一光纤；还包括定位装置，定位装置用于定位第一光纤的位置。
6.作为上述技术方案的一种改进：还包括激光芯片底座和线路板底座，所述激光芯片底座包括一个激光芯片底座平面，线路板底座包括一个线路板底座平面，所述激光芯片底座朝向第一光纤的一端包括激光芯片底座定位面；所述激光芯片固定设置在激光芯片底座平面上，所述激光芯片底座固定设置在线路板底座平面上，定位装置以激光芯片底座定位面为基准固定设置在激光芯片底座平面上，第一光纤以定位装置为基准固定设置在线路板底座平面上。
7.作为上述技术方案的一种改进：所述第一光纤的半径为r，所述发光区到线路板底座平面的距离为k，激光芯片发光区到光纤轴心的距离的定位公差为m，第一光纤的半径r的取值范围：6.6m＜r＜1.5k。
8.由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本技术方案利用定位装置对第一光纤进行定位，提高了装配精度，缩短了装配时间，节约了人力。其次，该光纤侧面对激光整形
的发光装置利用激光芯片底座和线路板底座散热，利用光纤侧面对激光整形的发光装置的组成部件散热，节省了散热部件或装置，缩小了体积，降低了成本。
9.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
10.图1是光纤侧面对激光整形的发光装置的主视图。
11.图2是图1的俯视图。
12.图3是图1的局部结构示意图。
13.图4是光纤侧面对激光整形的发光装置的另一种实施例的主视图。
14.图5是图4的俯视图。
15.图6是图4的局部结构示意图。
16.图7是光纤侧面对激光整形的发光装置的另一种实施例的主视图。
17.图8是光纤侧面对激光整形的发光装置的另一种实施例的主视图。
18.图9是图8定位块与第一光纤的右视图。
具体实施方式
19.实施例1：
20.如图1-3所示，光纤侧面对激光整形的发光装置，包括激光芯片101，激光芯片101包括发光区，发光区发射出激光121，由于发光区所发出的激光121在平行于激光芯片101长条方向是慢轴方向，垂直于激光芯片101长条方向是快轴方向。激光芯片101所发出的激光121在快轴方向的发光角度与慢轴方向的发光角度不同，通常是快轴方向的发光角度大于慢轴方向的发光角度。快轴方向和慢轴方向发光角度的不同，导致激光芯片101发出的激光121为发散的长条形光束。上述原因使得激光芯片101作为光源应用在照明或显示领域的时候，需要对激光芯片101快轴方向或慢轴方向的角分布进行调整。
21.本方案将第一光纤102设置在激光芯片101设置有发光区的一侧，发光区朝向第一光纤102的侧面，发光区快轴所在的平面与第一光纤102的轴向垂直，发光区发出的激光121由第一光纤102的一侧进入，第一光纤102的另一侧出射。本技术方案利用第一光纤102对快轴方向和慢轴方向的发光角度进行调整。如图3所示，在第一光纤102截面方向，第一光纤102在竖直方向上的两个曲面相当于是一个透镜，将发光区所发出的激光121在快轴方向进行弯折并减小激光121的发光角度，第一光纤102在水平方向上没有变化，即激光121在慢轴方向的发光角度不会改变。发光区所发出的激光121在入射到第一光纤102之前为第一激光121a，由第一光纤102出射为第二激光121b，第一激光121a相当于穿过了一个凸透镜。
22.本实施例中，第一光纤102不会改变发光区所发出激光121在慢轴方向上的发光角度；第一光纤102对发光区所发出激光121在快轴方向上进行准直。上述技术方案是单独将快轴方向的角度压缩，慢轴方向的角度不变。
23.实际操作过程中为了操作简便，通常选用半径足够大的第一光纤102，其中第一光纤102到激光芯片101的间距通常较大。在本技术方案中，为了使第二激光121b形成圆形理想光斑，需要严格控制第一光纤102的半径与第一光纤102到激光芯片101的间距。第一光纤102的半径与第一光纤102到激光芯片101的间距关系到由第一光纤102出射的第二激光
121b是准直出射还是聚焦的，影响到第二激光121b在快轴方向的角度与慢轴方向的角度比值，该技术方案中理想的情况下是第一激光121a穿过第一光纤102后形成第二激光121b然后准直出射，需要保证第二激光121b在快轴方向的角度与慢轴方向的角度比值近似等于1。
24.在本技术方案中第一光纤102用石英材质的光纤为例，其中石英光纤的折射率为1.46。本实施例中第一光纤102的半径为r，所述发光区到线路板底座平面104a的距离为k，所述发光区到线路板底座平面104a的距离k＝r的时候，第一光纤102直接固定在线路板底座平面104a上，第一光纤102的竖直方向上自然定位，即激光芯片101发光区所发出激光121的光轴经过第一光纤102的轴线。实际上，激光芯片101的发光区在高度方向上与第一光纤102的轴线位置容许有偏差，有轻微不同心并不会影响第二激光121b的发散角度，仅影响第二激光121b的发射方向。例如，第一光纤102中心高，发光区低，则第二激光121b出射方向会向上偏。所以说，本实施例是一个优选实施方式，第一光纤102半径等于发光区到线路板平面104a的距离。
25.综上所述，第一光纤102的半径与第一光纤102的材质，以及发光区到线路板底座平面104a的距离有关，本实施方式中，第一光纤102使用石英光纤，第一光纤102的半径小于发光区到线路板平面104a距离的1.5倍即满足上述限制条件。
26.第一光纤102到激光芯片101发光区所在平面的距离是l。这个距离与第一光纤102截面半径和第一光纤102所选用材料的折射率有关。第一光纤102半径越大，对激光121的弯折能力越小，l的取值越大；第一光纤102材料折射率越大，对激光121的弯折能力越强，l的取值越小。l实际对应于第一光纤102等效为透镜的焦距。发光区在焦点上时，由第一光纤102出射的第二激光121b是准直的；发光区偏离在焦点之外时，由第一光纤102出射的第二激光121b是汇聚的；发光区偏离在焦点之内时，由第一光纤102出射的第二激光121b是发散的。
27.综上所述，第一光纤102到激光芯片101发光区所在平面的距离l决定了激光121穿过第一光纤102后的光斑尺寸。第一光纤102与发光区的距离l是敏感因素，影响了第二激光121b的光斑尺寸。由第一光纤102出射的第二激光121b的光斑太小，造成第二激光121b能量汇聚，单位面积内的能量高，利用过程中容易烧毁元器件或造成安全事故；第二激光121b的光斑太大则光强不足，不能满足需求。
28.第一光纤截面直径理论上可以很小，只要大于发光区在快轴方向的宽度就可以，发光区在快轴方向的宽度仅为1微米左右。然而，通过实验我们发现，第一光纤102的截面直径不能太小，存在尺寸下限。第一光纤102采用石英光纤，通过反复实验得到这样的结论：第一光纤102的直径2r是第一光纤102到发光区所在平面距离l的4.4倍，即r＝2.2l。由于第一光纤102的直径2r影响到第一光纤102到激光芯片101发光区所在平面的距离l，所以第一光纤102的直径2r不能太小，否则第一光纤102到发光区所在平面的间距l不好控制，装配难度较高。设激光芯片101发光区到第一光纤102轴心的距离的定位公差为m，经过反复实验验证证实，第一光纤102到发光区所在平面的距离l不小于定位公差为m的3倍，即，l＞3m，又因为r＝2.2l，所以，r＞6.6m。第一光纤102使用石英光纤的半径r上限是发光区到线路板底座平面104a距离k的1.5倍。这样，第一光纤102就具有了半径r范围。第一光纤102的半径r取值范围：6.6m＜r＜1.5k。
29.上述取值范围数据为第一光纤102采用石英光纤的时候第一光纤102的半径r取值
范围。如果第一光纤102使用其他材料，则第一光纤102的半径r取值范围随着折射率不同而改变。
30.综上可知，第一光纤102的半径r、第一光纤102到激光芯片101发光区所在平面的距离l都需要严格的精度要求。由于精度提高，生产制造过程中的难度增加。如图1和3所示，为了满足精度的要求，同时降低生产制造的成本，提高生产和装配效率，在本技术方案中增加了一个定位和固定激光芯片101的激光芯片底座103以及定位第一光纤102的定位装置。该定位装置作为基准固定第一光纤102，该定位装置控制第一光纤102与激光芯片101之间的距离l。定位装置在提高精度的同时，降低装配难度，降低生产成本，避免使用过程中第一光纤102或激光芯片101固定不牢固，无法达到预期的目的。
31.本实施方式中，定位装置为定位块105，定位块105靠近激光芯片底座103的一面以激光芯片底座定位面103a为基准，并且紧靠激光芯片底座定位面103a设置。定位块105固定设置在线路板底座平面104a上，根据所选用第一光纤102的材料和第一光纤102的半径r来确定第一光纤102到发光区所在平面的距离l，并且在定位块105上选择光纤定位槽106的位置。根据第一光纤102的半径r与发光区到线路底座平面104a的距离k选择光纤定位槽106的深度。当光纤定位槽106的位置和深度确定后，本实施例中第一光纤102通过使用胶粘的方式固定设置在光纤定位槽106内，避免第一光纤106位置发生移动，影响第二激光121b的出射效果。
32.一种优选的实施方式，发光区所发出的激光121的光轴经过第一光纤102的轴线。发光区发出激光121的光轴与第一光纤102轴线垂直设置的时候激光121在第一光纤102内部不会发生折射，激光121穿过第一光纤102的时候损失最小。
33.该定位装置的优点是，通过使用定位块105，根据第一光纤102的材料、半径等因素，光纤定位槽106在定位块105上的位置唯一确定，装配过程中无需反复校准或测量，装配速度得到极大的提升。定位块105的作用是提高第一光纤102的安装位置精度，缩短安装时间，满足批量生产的要求。
34.激光芯片底座103远离线路板底座104的一侧为激光芯片底座平面103b，激光芯片101贴合在激光芯片底座平面103b上，激光芯片底座103朝向第一光纤102的一端包括激光芯片底座定位面103a。线路板底座104表面设置有线路板底座平面104a，激光芯片底座103固定设置在线路板底座平面104a上。定位装置一侧紧贴激光芯片底座定位面103a，定位装置底部固定设置在线路板底座平面104a上，定位装置另一侧紧贴第一光纤102，第一光纤102同样固定设置在线路板底座平面104a上。
35.激光芯片101贴合在激光芯片底座平面103b上，激光芯片底座103贴合线路板底座平面104a。激光芯片101与线路板底座104之间通过焊盘和/或金线电连接，线路板底座104通过焊盘和/或金线为激光芯片101供电。激光芯片101工作过程中产生热量，激光芯片101需要散热，激光芯片101工作过程中产生的热量传递到激光芯片底座103，激光芯片底座103散发一部分热量，激光芯片底座103与线路板底座平面104a贴合在一起，另一部分热量传递到线路板底座104上，通过线路板底座104将该部分热量散发掉。
36.激光芯片101的形状是长方体，发光区设置在激光芯片101长度方向的一个端面上，激光芯片101的发光区是长条形的，激光芯片101的长边平行于激光芯片底座103上的一个平面和线路板底座104的平面，激光芯片101的散热面紧贴在激光芯片底座103的平面上。
上述设计的优点在于激光芯片101的热量传递到线路板底座104的路程最短，散热效果更好。
37.上述设计既可以对激光芯片101进行固定和定位，还可以将激光芯片101工作过程中产生的热量通过与其固定的部件传递并散发，节省了散热装置，降低了产品的成本，缩小了产品的体积，减少了制造成本，提高了安装效率。。
38.线路板底座104优选铜基材或铝基材或氮化铝基材等导热性能较好的材料，激光芯片底座103优选氮化铝或氧化铝或碳化硅等导热性能较好的材料。
39.本实施方式中的定位装置的缺点是，光纤定位槽106加工过程中的形状、位置要求高，一旦加工出现误差，检测校准繁琐，光纤定位槽106修复难度大。
40.实施例2：
41.如图4-6所示，光纤侧面对激光整形的发光装置，本实施方式与实施例1的区别在于定位装置不同，本实施方式采用的定位装置包括隔离组件，隔离组件为隔离柱205。为了选材方便，避免隔离柱205对穿过第一光纤202的激光发生折射或反射的影响，本实施例中采用截面为圆形的隔离柱205，一种优选的隔离柱205为第二光纤。采用第二光纤具有以下优点，第一直径的尺寸精度高，第二属于市面上常见的产品，获取方便，价格便宜，第三裁剪加工方便。
42.本实施方式中，第二光纤以激光芯片底座定位面203a为基准固定设置在线路板底座平面204a上，第二光纤靠近激光芯片底座定位面203a的侧面与激光芯片底座定位面203a紧密贴合在一起。第二光纤作为第一光纤202的定位基准，第二光纤远离激光芯片底座定位面203a的一侧与第一光纤202紧密贴合在一起，第一光纤202固定设置在线路板底座平面204a上。
43.本实施例中，发光区到线路板底座平面204a的距离k通过控制激光芯片底座203的高度来控制，根据采用的第一光纤202的材质决定了第一光纤202的半r，第一光纤202的半径r决定了第一光纤202到发光区所在平面的距离l，第一光纤202到发光区所在平面的距离l通过使用不同半径的第二光纤来实现。
44.本实施例采用第二光纤作为第一光纤202固定在线路板底座平面204a上的定位装置，该定位装置不仅可以起到实施例1中定位装置的作用，无需设置光纤定位槽，只需根据需要计算出第二光纤的直径，然后将第一光纤202直接固定设置在线路板底座平面204a上，然后按照要求固定即可。极大的降低了生产成本。
45.本实施方式中利用第二光纤作为定位装置，第二光纤横截面呈圆形，第二光纤与激光芯片底座定位面203a、线路板底座平面204a、第一光纤202的接触为一条直线，接触面太小，固定不牢固。
46.实施例3：
47.如图7所示，光纤侧面对激光整形的发光装置，本实施例与实施例2不同点在于：
48.激光芯片底座平面303b与线路板底座平面304a之间的夹角α＝45
°
。
49.激光芯片301贴合在激光芯片底座平面303b上，发光区所发出的激光321的光轴与激光芯片底座平面303b之间的夹角也为45
°
。第一激光321a从第一光纤302侧面入射，经过第一光纤302的中心后由第一光纤302的另一侧形成第二激光321b出射。
50.本实施方式中，定位装置包括隔离组件，隔离组件为隔离柱305。本实施例中采用
截面为长方形的隔离柱305，一种优选的实施方式隔离柱305选用与第一光纤302相同的材质。
51.隔离柱305的一个侧面贴在第一光纤302上，另一个侧面紧贴在激光芯片底座定位面303a上。隔离柱305靠近线路板底座平面304a的一面固定设置在线路板底座平面404a上。
52.本实施例中，激光芯片底座平面303b与线路板底座平面304a之间的夹角α＝45
°
此时第二激光321b的出射角度与水平方向之间的夹角为45
°
，该角度出射的第二激光321b可以用于反射式波长转换装置等需求。
53.隔离柱305的横截面积为长方形，隔离柱305与线路板底座平面304a接触面为一个平面，隔离柱305在线路板底座平面304a上更加稳固，并且固定方便，隔离柱305与激光芯片底座定位面203a之间的接触面也为平面，平面之间的贴合操作简便，减小了装配过程的难度，减小了误差，提高了精度。
54.实施例4：
55.如图8和9所示，光纤侧面对激光整形的发光装置，本实施例与实施例1不同点在于：
56.本实施方式中，激光芯片底座平面403b与线路板底座平面404a之间的夹角α＝-45
°
。激光芯片401贴合在激光芯片底座平面403b上，发光区所发出的激光421的光轴与线路板底座平面404a之间的夹角也为-45
°
。第一激光421a从第一光纤402侧面入射，经过第一光纤402的中心后由第一光纤402的另一侧形成第二激光421b出射。
57.本实施例中，激光芯片底座平面403b与线路板底座平面404a之间的夹角α＝-45
°
此时第二激光421b的出射角度与线路板底座平面404a之间的夹角为-45
°
，该技术方案出射的第二激光421b的出射角度与实施例1不同，本实施例将平行于线路板底座平面404a的第二激光421b改变为向远离线路板底座平面404a的方向出射。本实施例改变第二激光421的出射方式，应用范围得到了极大的扩展。
58.本实施方式中，如图8所示，定位块405与激光芯片底座定位面403a紧贴在一起，由于激光芯片401所发出的激光421需要倾斜照射到第一光纤402上，定位块405上设置光纤定位槽406，光纤定位槽406对第一光纤402固定，在本实施方式中，定位块405还要保证发光区所发出的第一激光421a从第一光纤402侧面入射，经过第一光纤402的中心后由第一光纤402的另一侧形成第二激光421b出射。
59.图9所示，定位块405紧贴在激光芯片底座定位面103a的一个侧面上设置有通光槽407，通光槽407向定位块405内部延伸，通光槽407向定位块405内部延伸的一端与光纤定位槽406相连通。
60.本实施方式需要第二激光421b穿过第一光纤402的中心，通光槽407需要足够大，激光芯片401设置有发光区的一端伸入到通光槽407内部。发光区的中心延长线经过第一光纤402的圆心。
61.以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，所述内容为本发明的最佳实施方式，不能被用于限定本发明的保护范围。对于本领域技术人员而言，任何对该发明进行的等同修改和替代也都在本发明所要保护的范畴之中。