[發明專利]發光系統

有效

• 申請號: 201210403272.7
• 申請日: 2012-10-19
• 公開（公告）號: CN103066496B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: P·E·R·揚森斯;B·范登博瑟;G·J·S·范登伯格;W·T·M·多斯泰林克
• 申請（專利權）人: 巴科股份有限公司
• 主分類號: H01S5/40
• 分類號: H01S5/40;H01S5/042;H01S5/024
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司31100
• 代理人: 張欣

本發明涉及發光系統，更特定地，涉及包括至少一個半導體激光器二極管網格的發光系統。

發明背景

二極管激光器是半導體激光器。一般通過晶片級處理（在該處理后晶片被切割為獨立的激光器）來產生多個這樣的激光器。在邊緣發光類型的激光器中，光在半導體激光器的平面中傳播。激光的增益介質的橫斷面（intersection），垂直于光的傳播，一般是矩形的。該高度一般是1μm數量級的。增益介質的寬度是由激光器的應用確定的：對于單空間模激光器，增益介質必須非常窄，而對于高功率應用，增益介質被制成很寬（如，增益介質高度的20倍）。在較寬增益介質的情況下，在激光器增益介質的最寬方向中可出現數種空間模式。對于基于2D成像儀的高亮度激光器投影，不要求逐激光器的良好的光束質量，且因而具有逐發射器的相對較寬的增益介質和增加的功率二極管是優選的。

增益介質的寬度的方向一般被稱為慢軸，而增益介質的高度方向一般被稱為快軸。

二極管的增益介質的形狀對于二極管激光器的光束性質具有重要影響。首先，由于多空間模的存在，高功率二極管激光器的光束分布一般在慢軸具有不規則的形狀：可在慢軸方向中觀察到激光器遠場光強度的數個最大值。這是由于，由于增益介質的寬度，光在沿慢軸的空間中較少地被限制，這樣的事實引起的。

此外，衍射將引起光束發散的差異。在快軸中，相比在慢軸方向中，光束將更為發散。不同的發散是由衍射引起的：較小的孔徑將引起較大的衍射角度。這樣，激光器增益介質的最寬方向對應于最窄的角度分布。激光器的發散可為在一個方向中是25°且在其他方向中是50°。激光器一般與準直透鏡組合來將發散光束變化為平行光束。然后，在準直后，在快軸和慢軸之間的發散的差異轉換為快軸中的相對于慢軸而言較大的束腰。

這個不對稱是高亮度激光器投影儀的光設計的重要參數，其中系統的光學擴展量（étendue）必須被準確地管理且任何光學擴展量損失必須被避免、或者至少被最小化。為了獲得最大亮度，必須將各激光器二極管的最大量組合在系統可獲得的光學擴展量中。

在切割之后，激光器被封裝在例如TO9罐中、或其他類型的一般標準化的封裝中（如，還有較小尺寸的TO-罐類型封裝存在：如TO38，直徑只有3.8mm）。圖1示出TO9封裝的圖片。該封裝由金屬板構成，金屬板用作激光器的冷卻表面。在這個冷卻板上，金屬外殼被安裝從而保護激光器。光在與冷卻板垂直的方向（在圖1的左面，向上）中被發射并通過外殼中的窗口離開該TO9罐。一般在冷卻板的背部上有2或3個引腳，這被用于驅動該激光器。這些引腳存在的問題在于它們將會刺穿將在其上放置激光器的冷卻表面：激光器中散發的熱量被轉移至作為封裝底部的冷卻板。然后該熱量必須由冷卻系統所移除。由此，激光器的冷卻板必須被安裝為與散熱器接近接觸。這個散熱器可由空氣或液體冷卻系統所冷卻。冷卻激光器并非不重要的，因為激光器一般應該在室溫附近的溫度處操作。此外，優選的是密切控制激光器的溫度，因為溫度變化導致所發射的光功率和激光器波長的變化。因此，激光器被設計用于經細致定義的溫度并在該溫度處操作；如25℃。

TO-9罐上的引腳的長度也受到限制。如果做出與驅動印刷電路板之間的直接連接，這極大地限制了散熱器的厚度。

發明內容

為了將激光器組合為一個強光束，激光器封裝可被放置得盡可能靠近彼此。如，可通過在類晶片的安裝中將所有的TO-罐放置為盡可能靠近彼此來實現此。然而，這具有一些重要限制。

光束性質并不是對稱的：相比沿慢軸，激光束的發散沿快軸更大。作為結果，在準直后，相比沿慢軸，光束沿快軸更寬。即使相鄰光束之間的空間沿快軸被最小化，沿慢軸在相鄰光束之間將存在極大空間。這導致光學擴展量損失，因為光學擴展量空間一部分沒有被使用。換言之，組合的光束的光學擴展量顯著大于各光束的光學擴展量之和。

為了控制緊密地間隔的高功率激光器二極管陣列的溫度，液體冷卻系統是優選的。因此需要在散熱器中提供冷卻液體通道，不過同時這個散熱器被用于激光器的電驅動的引腳所刺穿。將激光器放得盡可能靠近限制了液體冷卻通道的尺寸。該散熱器還必須足夠薄，從而激光器封裝的引腳仍可達到被安裝在散熱器背側上的驅動電子元件。這樣，散熱器的厚度也被限制且變得極難提供足夠的冷卻。

本發明的目的在于提供包括多個激光器二極管的發光系統，且其中從所述多個激光器二極管產生的最大數量的激光束被組合到具有最小光學擴展量的預定輸出孔徑，這樣解決了上述問題中的至少一些。