用於水下雷射照明的全半導體雷射光源裝置的製作方法

2023-07-06 13:23:46 1

本發明屬於半導體雷射技術領域，涉及一種用於水下雷射照明的全半導體雷射光源裝置。

背景技術：

藍綠光(波長為430nm～570nm，1963年發現)能穿透幾百上千米的海水，基於藍綠光的水下探測及照明設備可以用於水下目標的監測和定位，常用於海洋生物研究、海底地貌勘探、海洋工程設施建設和維護作業、軍事監視、識別和偵察、水下目標發現、搜索與援救、探雷、目標跟蹤、導航控制和目標識別等應用。

水下雷射照明所需光源應滿足以下條件：雷射波長與水域傳輸窗口匹配、輸出功率及光場分布穩定、輸出光場分布均勻、可靠性高、光源消相干(相干性強容易產生衍射效應，影響成像質量)等。當前水下作業使用的藍綠光雷射器類型主要為倍頻Nd：YAG雷射器或氬離子雷射器等，其中倍頻Nd：YAG雷射器輸出波長532nm，氬離子雷射器輸出波長488nm和514nm。基於全固態雷射器或者氬離子雷射器的雷射照明光源發光單元數量少，激射波長單一且譜寬窄，光源自身相干性強，容易產生衍射效應，影響成像質量。

也有報導採用LED作為光源進行水下照明，在光源消相干方面有很好的優勢，但是LED本身存在傳輸方向性差，照射距離有限，轉換效率不高等不足。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種用於水下雷射照明的全半導體雷射光源裝置，採用直接輸出藍綠雷射的半導體雷射器作為水下照明雷射光源的裝置，根據不同的水質透過率條件，選用匹配的輸出波長進行照明。

本發明解決技術問題所採用的技術方案如下：

用於水下雷射照明的全半導體雷射光源裝置，該裝置包括：雷射驅動器、藍綠光半導體雷射陣列、準直鏡、勻光鏡和變焦光學鏡組；所述雷射驅動器激勵藍綠光半導體雷射陣列輸出藍綠雷射，經過準直鏡準直輸出準直雷射，由勻光鏡將輸出光場均勻化，輸出勻化雷射，經過變焦光學鏡組調節輸出發射雷射，照射目標。

本發明的有益效果是：相對於現有技術中採用單一雷射器作為照明光源易相干產生噪聲而言，本專利提出採用多個雷射單元組合陣列式雷射照明，通過多雷射單元的組合，可有效抑制散斑產生，提高雷射照明成像質量。根據不同的水質透過率條件，選用匹配的輸出波長進行照明，具有輸出波長與傳輸窗口匹配、輸出功率及光場分布穩定、輸出光場分布均勻、可靠性高、轉換效率高等優勢。

附圖說明

圖1本發明用於水下雷射照明的全半導體雷射光源裝置結構示意圖。

圖2為藍綠光雷射陣列示意圖。

圖3為單一波長組合的雷射單元器件示意圖。

圖4為不同波長組合的雷射單元器件示意圖。

圖5為勻化鏡輸出光場分布示意圖。

圖中：1、雷射驅動器，2、藍綠光半導體雷射陣列，201、藍綠雷射，21、雷射單元器件，211、波長λ1雷射單元，212、波長λ2雷射單元，3、準直鏡，301、準直雷射，4、勻光鏡，401、勻化雷射，5、變焦光學鏡組和501、發射雷射。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。

本發明光源裝置採用直接輸出藍綠雷射的半導體雷射器作為水下雷射照明光源，由雷射驅動器1、藍綠光半導體雷射陣列2、準直鏡3、勻光鏡4和變焦光學鏡組5組成，如圖1所示。雷射驅動器1激勵藍綠光半導體雷射陣列2輸出藍綠雷射201，然後經過準直鏡3輸出準直雷射301，再由勻光鏡4將輸出光場勻化，輸出勻化雷射401，最後經過變焦光學鏡組5調節輸出發射雷射501，成像到目標。

其中，藍綠光半導體雷射陣列2輸出雷射波長分布在430nm～570nm內，根據不同的海域透過率要求，選擇匹配雷射波長(選用透過率高的雷射波長，透過率越高，衰減越小，照明距離越遠)，如在清澈的深海區域照明，選用偏短波的430nm～470nm藍光雷射，而對於港口或者近海比較渾濁的海水區域，選用550nm～570nm波長綠光雷射更佳，如表1所示。

表1為不同水質對應的透射窗口

藍綠光半導體雷射陣列2為多個雷射單元器件21結構組合，如圖2所示。如僅在特定區域使用，如深海探測區域，海水清澈，則在每個雷射單元器件21上直接全部集成相同波長的雷射單元211，如圖3所示，在相同的發射口徑下，藍光雷射單元數量越多，輸出藍光功率越高，雷射照明效果越好，照射距離越遠。如需進行多個海域的切換，如既需深海探測，又需對港口海域照明，則可通過集成不同波長，如波長λ1雷射單元211和波長λ2雷射單元、212的雷射陣列於一體，如圖4所示。

所採用的藍綠光半導體雷射陣列2中所採用的不同波長雷射單元結構或為邊發射結構，或為面發射結構，或為兩者結構的組合。

雷射驅動器1為多個雷射電源的組合，可對藍綠光半導體雷射陣列2進行分別驅動，或整體驅動，或根據不同的雷射波長分組驅動。

準直鏡3用於對藍綠光半導體雷射陣列2輸出雷射進行準直，可與雷射器陣列分離，也可直接集成在雷射器陣列上，為單片或多片透鏡組合，結構為圓形或柱面透鏡，其面型為球面或非球面。

勻光鏡4為勻光棒或者複眼透鏡陣列，對光場分布進行勻化，並可以根據不同的照明要求，輸出線形、圓形或方形等不同形狀的光場分布，如圖5所示。

變焦光學鏡組5為焦距可調、像質經過優化的光學系統，將勻化光場成像到不同距離像面上，實現不同距離目標的雷射照明。

準直鏡3、勻光鏡4和變焦光學鏡組5的所有光學表面均要求鍍在藍綠光半導體雷射陣列2輸出雷射波段範圍內的高增透膜，以減少自身損失。