[发明专利]发光系统

说明书

本发明涉及发光系统，更特定地，涉及包括至少一个半导体激光器二极管网格的发光系统。

发明背景

二极管激光器是半导体激光器。一般通过晶片级处理（在该处理后晶片被切割为独立的激光器）来产生多个这样的激光器。在边缘发光类型的激光器中，光在半导体激光器的平面中传播。激光的增益介质的横断面（intersection），垂直于光的传播，一般是矩形的。该高度一般是1μm数量级的。增益介质的宽度是由激光器的应用确定的：对于单空间模激光器，增益介质必须非常窄，而对于高功率应用，增益介质被制成很宽（如，增益介质高度的20倍）。在较宽增益介质的情况下，在激光器增益介质的最宽方向中可出现数种空间模式。对于基于2D成像仪的高亮度激光器投影，不要求逐激光器的良好的光束质量，且因而具有逐发射器的相对较宽的增益介质和增加的功率二极管是优选的。

增益介质的宽度的方向一般被称为慢轴，而增益介质的高度方向一般被称为快轴。

二极管的增益介质的形状对于二极管激光器的光束性质具有重要影响。首先，由于多空间模的存在，高功率二极管激光器的光束分布一般在慢轴具有不规则的形状：可在慢轴方向中观察到激光器远场光强度的数个最大值。这是由于，由于增益介质的宽度，光在沿慢轴的空间中较少地被限制，这样的事实引起的。

此外，衍射将引起光束发散的差异。在快轴中，相比在慢轴方向中，光束将更为发散。不同的发散是由衍射引起的：较小的孔径将引起较大的衍射角度。这样，激光器增益介质的最宽方向对应于最窄的角度分布。激光器的发散可为在一个方向中是25°且在其他方向中是50°。激光器一般与准直透镜组合来将发散光束变化为平行光束。然后，在准直后，在快轴和慢轴之间的发散的差异转换为快轴中的相对于慢轴而言较大的束腰。

这个不对称是高亮度激光器投影仪的光设计的重要参数，其中系统的光学扩展量（étendue）必须被准确地管理且任何光学扩展量损失必须被避免、或者至少被最小化。为了获得最大亮度，必须将各激光器二极管的最大量组合在系统可获得的光学扩展量中。

在切割之后，激光器被封装在例如TO9罐中、或其他类型的一般标准化的封装中（如，还有较小尺寸的TO-罐类型封装存在：如TO38，直径只有3.8mm）。图1示出TO9封装的图片。该封装由金属板构成，金属板用作激光器的冷却表面。在这个冷却板上，金属外壳被安装从而保护激光器。光在与冷却板垂直的方向（在图1的左面，向上）中被发射并通过外壳中的窗口离开该TO9罐。一般在冷却板的背部上有2或3个引脚，这被用于驱动该激光器。这些引脚存在的问题在于它们将会刺穿将在其上放置激光器的冷却表面：激光器中散发的热量被转移至作为封装底部的冷却板。然后该热量必须由冷却系统所移除。由此，激光器的冷却板必须被安装为与散热器接近接触。这个散热器可由空气或液体冷却系统所冷却。冷却激光器并非不重要的，因为激光器一般应该在室温附近的温度处操作。此外，优选的是密切控制激光器的温度，因为温度变化导致所发射的光功率和激光器波长的变化。因此，激光器被设计用于经细致定义的温度并在该温度处操作；如25℃。

TO-9罐上的引脚的长度也受到限制。如果做出与驱动印刷电路板之间的直接连接，这极大地限制了散热器的厚度。

发明内容

为了将激光器组合为一个强光束，激光器封装可被放置得尽可能靠近彼此。如，可通过在类晶片的安装中将所有的TO-罐放置为尽可能靠近彼此来实现此。然而，这具有一些重要限制。

光束性质并不是对称的：相比沿慢轴，激光束的发散沿快轴更大。作为结果，在准直后，相比沿慢轴，光束沿快轴更宽。即使相邻光束之间的空间沿快轴被最小化，沿慢轴在相邻光束之间将存在极大空间。这导致光学扩展量损失，因为光学扩展量空间一部分没有被使用。换言之，组合的光束的光学扩展量显著大于各光束的光学扩展量之和。

为了控制紧密地间隔的高功率激光器二极管阵列的温度，液体冷却系统是优选的。因此需要在散热器中提供冷却液体通道，不过同时这个散热器被用于激光器的电驱动的引脚所刺穿。将激光器放得尽可能靠近限制了液体冷却通道的尺寸。该散热器还必须足够薄，从而激光器封装的引脚仍可达到被安装在散热器背侧上的驱动电子元件。这样，散热器的厚度也被限制且变得极难提供足够的冷却。

本发明的目的在于提供包括多个激光器二极管的发光系统，且其中从所述多个激光器二极管产生的最大数量的激光束被组合到具有最小光学扩展量的预定输出孔径，这样解决了上述问题中的至少一些。