基于合光技術(shù)的可變焦激光探照燈設(shè)計(jì)

王軒宇 楊一涵 石悅言 李陽 黃俐皓 隋國榮

摘要：為增加激光光源的光效，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離照明，可使用基于合光技術(shù)的方案，設(shè)計(jì)一種可變焦激光探照燈。采用多顆藍(lán)光 LD 排成陣列的方法，利用玻璃反光碗的光回收技術(shù)，對(duì)激光探照燈進(jìn)行光路設(shè)計(jì)；同時(shí)使用二向色片來控制發(fā)散角度，從而實(shí)現(xiàn)激光探照燈的可變焦控制。測(cè)量激光模組在1 A 電流下輸出的光通量，經(jīng)計(jì)算，熒光陶瓷片出射的總光通量約為730 lm。此外，對(duì)勻光片的散射特性進(jìn)行改變，可實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦激光光斑的控制。此研究實(shí)現(xiàn)了可變焦激光探照燈的光路設(shè)計(jì)以及對(duì)聚焦激光光斑的控制，并利用二向色片實(shí)現(xiàn)了藍(lán)光和黃光混合白光輸出。該光學(xué)系統(tǒng)的整體光效較高，有較強(qiáng)的實(shí)用意義。

關(guān)鍵詞：激光束合光；雙光路激光模組；玻璃反光碗；光通量

中圖分類號(hào)： O 439 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design of zoomable laser searchlight based onphotoluminescence technology

WANG Xuanyu，YANG Yihan ，SHI Yueyan，LI Yang，HUANG Lihao，SUI Guorong

（School of Optical-Electrical and Computing Engineering， University of Shanghai forScience and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： To increase the light efficiency of laser light sources and further achieve long-distance illumination， a scheme based on combining light technology can be used to design a variable focus laser searchlight. Using the method of arranging multiple blue light LDs into an array and utilizing thelightrecovery technologyof theglassreflector bowl，theopticalpathdesignof thelaser searchlight was carried out. Simultaneously using a dichroic chip to control the divergence angle， variable focus control of the laser searchlight was achieved. Measure the luminous flux output by the laser module at a current of 1 A. After calculation， the total luminous flux emitted from the fluorescentceramicchipwasapproximately 730 lm. Inaddition，changingthescattering characteristics of the uniform light sheet could achieve control of the focused laser spot. This study achieved the optical path design of a variable focus laser searchlight and the control of the focused laser spot， and used a dichroic chip to achieve mixed white light output of blue and yellow light. The overall optical efficiency of this optical system is high， and it has strong practical significance.

Keywords： laser beam combination light; dual-path laser module; glass reflective bowl; luminous flux

引言

從20世紀(jì)90年代藍(lán)光發(fā)光二極管（lightemitting diode ，LED）的發(fā)明開始， LED 逐步成為主流的照明光源，從照明到顯示，從室內(nèi)到室外，從電視到手機(jī)，其身影可謂無處不在[1]。然而考慮到亮度、效率等因素，在很多場(chǎng)合 LED 仍然無法完全替代傳統(tǒng)器件[2-3]。近年來，與藍(lán)光 LED 同源的激光二極管（ laser diode， LD）發(fā)展迅速。 LD 除了具有與 LED一樣的安全、環(huán)保和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有輻射發(fā)光效率高且不存在效率驟降[4]，色度、色溫等特性可調(diào)[5]，以及功率密度高，光斑特性好等額外的優(yōu)勢(shì)，且在給定色溫條件下， LD 的顯示特性更好[6]。這些特點(diǎn)使得藍(lán)光 LD 被當(dāng)作下一代照明光源，引起了廣泛的關(guān)注[7-8]。

激光光源的主要優(yōu)勢(shì)在于光源亮度高[9]，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離照明，因此特別適合用于探照燈。隨著激光應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，在材料加工、遙感、激光雷達(dá)、光電對(duì)抗等領(lǐng)域，高功率高質(zhì)量的激光束幾乎成為了必需。由于單個(gè)激光器物理因素和結(jié)構(gòu)因素的限制，高功率與高質(zhì)量成為了一對(duì)矛盾體，而合光技術(shù)為解決這一矛盾提供了一條有效途徑。目前，光束合成技術(shù)已成為國際研究熱點(diǎn)之一，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)提出多種光束合成技術(shù)，包括多光束并束輸出、光譜合成、主振蕩放大、激光腔腔內(nèi)合成等方案。目前，單顆藍(lán)光 LD 的額定電功率不超過15 W，為了增加光源的功率，通常將多顆 LD 排成陣列來使用[10]。不同 LD 輸出的激光需要先經(jīng)過準(zhǔn)直后再進(jìn)行光束合成[11]。由于相鄰2顆 LD 之間需要保持適當(dāng)?shù)拈g距，這導(dǎo)致不同激光光束之間具有較大的間隙，因此壓縮激光束之間的間隙使之變?yōu)橐皇?xì)的光（合光）具有重要意義。

1 原理

對(duì)激光束進(jìn)行合光的方案有很多，最簡(jiǎn)單的方案是利用反射鏡陣列來實(shí)現(xiàn)[8]，其原理參見圖1。每個(gè)小反射鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)激光束，它將該激光束的傳播方向進(jìn)行轉(zhuǎn)折，通過調(diào)整小反射鏡的位置就可以改變激光束之間的間距。圖1顯示了如何將激光束之間的間距從原來的 D1縮小到D2。然而，這種方案對(duì)反射鏡的裝配角度非常靈敏，如果不同反射鏡的裝配角度有偏差，就會(huì)導(dǎo)致不同激光束之間不再平行，影響最終聚焦光斑的大小。

為了解決反射鏡裝配的難題，可以采用45°斜方棱鏡來實(shí)現(xiàn)激光束合光。斜方棱鏡是一種橫截面為平行四邊形的光學(xué)棱鏡，它有4個(gè)光學(xué)面，包括2個(gè)全內(nèi)反射面和2個(gè)透射面，其上下平面用于棱鏡夾持裝配，并非光學(xué)面。通過精確控制棱鏡4個(gè)光學(xué)面的角度來實(shí)現(xiàn)對(duì)光束傳播方向的轉(zhuǎn)折。橫截面為平行四邊形的斜方棱鏡能夠?qū)す夤馐鴮?shí)現(xiàn)平行平移而不改變光束的傳播方向（見圖2）。即使棱鏡裝配時(shí)發(fā)生傾斜，它依然能保證出射激光束相對(duì)入射激光束的傳播方向不變。斜方棱鏡對(duì)激光束的平移就可以縮小不同激光束之間的間距，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束的合光。

本設(shè)計(jì)使用了3顆平行排列的藍(lán)光 LD（日亞化學(xué) NUBM 0A），其最大功率可以達(dá)到45 W。圖3是所設(shè)計(jì)的探照燈的光學(xué)系統(tǒng)圖，它可以分為光源和鏡頭兩部分。光源部分是1個(gè)雙光路激光模組，它是整個(gè)系統(tǒng)中最復(fù)雜的部分。鏡頭部分由1個(gè)凹透鏡和2個(gè)凸透鏡組成，凹透鏡的焦點(diǎn)和2個(gè)凸透鏡（看成1個(gè)組合透鏡）的焦點(diǎn)重合。它實(shí)際上組成了1個(gè)共焦擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)。從光源模組輸出的近似準(zhǔn)直的光束，經(jīng)過鏡頭擴(kuò)束后，其發(fā)散角會(huì)變得更小，而中心光強(qiáng)會(huì)變得更強(qiáng)。調(diào)焦時(shí)，保持2個(gè)凸透鏡不動(dòng)，只需調(diào)節(jié)中間凹透鏡的前后位置，就可以改變輸出光的角度，實(shí)現(xiàn)變焦的功能。

圖4是圖3中光源模組部分的光學(xué)系統(tǒng)圖，其中φ表示透鏡的通光孔徑；1～3為3顆藍(lán)光 LD，彼此平行設(shè)置，它們各帶1個(gè)準(zhǔn)直透鏡，輸出準(zhǔn)直激光。為了實(shí)現(xiàn)3束激光的合光，需要采用4、5兩個(gè)斜方棱鏡。合光之后的激光束先透過一個(gè)勻光片6，然后入射到二向色片7上。二向色片7是最關(guān)鍵的光學(xué)器件，它既要實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)光的分光，又要實(shí)現(xiàn)對(duì)黃光的透射輸出，其光譜透過率曲線參見圖5。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

從圖5可知，當(dāng)波長(zhǎng)為455 nm 的藍(lán)光入射到二向色片7上時(shí)，大約有80%的藍(lán)光會(huì)被反射，20%的藍(lán)光被透射，即對(duì)藍(lán)光進(jìn)行分光。反射的藍(lán)光會(huì)經(jīng)過透鏡8和9的聚焦后入射到熒光陶瓷片11上，此為反射光路；而透射的藍(lán)光經(jīng)過透鏡12和13聚焦后入射到漫反射板15上，此為透射光路。2個(gè)光路相對(duì)于二向色片7呈對(duì)稱布置，其中透鏡8和12相同，為非球面透鏡；透鏡9和13相同，為球面透鏡。2組透鏡分別位于2個(gè)光路中，一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)入射藍(lán)光的聚焦，另一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)出射光的收集和準(zhǔn)直。由于系統(tǒng)中包含透射光路和反射光路，因此該光源模組被稱為雙光路激光模組。

在圖4所示的光學(xué)系統(tǒng)中，勻光片6的散射特性決定了聚焦激光光斑的形狀。當(dāng)透鏡8和9將激光聚焦到熒光陶瓷片11上時(shí)，本質(zhì)是對(duì)其空間光場(chǎng)進(jìn)行了傅里葉變換，激光束的空間光強(qiáng)分布最終變?yōu)榧す夤獍叩谋砻婀鈭?chǎng)分布。準(zhǔn)直激光透過勻光片后會(huì)形成有一定發(fā)散角的光束。如果光束發(fā)散角大，那么聚焦光斑面積就大；如果光束的光強(qiáng)分布均勻，那么聚焦光斑的表面光場(chǎng)分布也會(huì)均勻。因此，只要改變勻光片6的散射特性就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦激光光斑的控制。

本設(shè)計(jì)方案選擇了全角為4°的玻璃勻光片（按照1/e2的強(qiáng)度），這種勻光片通過對(duì)平板玻璃進(jìn)行化學(xué)刻蝕來制得。圖6（a）是制備的玻璃勻光片的表面形貌圖，圖6（b）是準(zhǔn)直藍(lán)激光透過勻光片之后的擴(kuò)散光斑圖像，圖6（c）是圖6（b）中光斑剖面的強(qiáng)度分布曲線。從曲線可知，準(zhǔn)直激光經(jīng)過勻光片后的光強(qiáng)分布可近似為高斯分布。

在圖4的光學(xué)系統(tǒng)中，10和14為玻璃反光碗，其內(nèi)表面為球面，并鍍有高反射膜。熒光陶瓷片11和漫反射板15分別位于反光碗的球心處。從熒光陶瓷片發(fā)射的光，有一部分會(huì)照射到反光碗的內(nèi)壁，然后被反光碗反射回球心。反射回球心的光將再次被熒光陶瓷片散射后輸出，這可以提高熒光陶瓷片中心的亮度。該技術(shù)可稱之為光回收技術(shù)，其本質(zhì)是基于腔增強(qiáng)理論。本設(shè)計(jì)方案中采用了45°的玻璃反光碗（見圖7）。以反光碗的中心光軸為軸線，與光軸夾角在0°～45°的光可以通過反光碗上端的開口出射，而夾角在45°～90°的光將被反光碗內(nèi)壁反射回收。由于光回收技術(shù)可以對(duì)大角度范圍內(nèi)的光進(jìn)行回收利用，所以透鏡8和9只需要對(duì)0°～45°角度范圍內(nèi)的光進(jìn)行收集。這大大降低了透鏡的設(shè)計(jì)難度，只需要使用普通折射率的 K9玻璃透鏡即可實(shí)現(xiàn)。此外，由于收光角度變小，透鏡鍍膜更簡(jiǎn)單，而整個(gè)系統(tǒng)的色散也會(huì)更小。

從熒光陶瓷片發(fā)射的黃光經(jīng)過透鏡組8和9收集后會(huì)變?yōu)闇?zhǔn)直黃光，然后入射到二向色片7上。從圖5中的鍍膜曲線可知，二向色片對(duì)波長(zhǎng)在490～690 nm 的光具有很高的透過率，因此，從熒光陶瓷片發(fā)射的黃光幾乎都可以透過二向色片而輸出。同時(shí)，被漫反射板15反射的藍(lán)光，經(jīng)過透鏡組12和13收集后變?yōu)闇?zhǔn)直藍(lán)光，然后入射到二向色片7上被分光，其中80%的藍(lán)光被二向色片反射后輸出，而其余20%的藍(lán)光會(huì)因?yàn)橥干涠鴵p失掉。漫反射板15對(duì)藍(lán)光的反射率接近100%。因此，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)輸出的藍(lán)光占總?cè)肷渌{(lán)光的比例大約為20%×80%=16%，而系統(tǒng)損失的藍(lán)光占比為20%×20%=4%。輸出的藍(lán)光與黃光混合最終便可合成白光。因此，借助一個(gè)二向色片即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)藍(lán)光和黃光的輸出，且系統(tǒng)的整體光效也比較高。

在圖4的光學(xué)系統(tǒng)中，如果熒光陶瓷片11上有未被吸收的藍(lán)光反射出來，那么反射藍(lán)光中的絕大部分（約80%）光都會(huì)損失掉。因此本設(shè)計(jì)方案希望熒光陶瓷片對(duì)藍(lán)光的吸收系數(shù)越高越好。同時(shí)，為了配合反光碗的光回收技術(shù)，又希望熒光陶瓷片具有良好的散射特性。只有散射強(qiáng)，才能使反光碗的光回收效率高；同時(shí)熒光陶瓷片的散射還能使陶瓷片上的光斑擴(kuò)散范圍小，亮度更高。本設(shè)計(jì)案例采用了德國肖特公司的黃色熒光陶瓷片。由于使用的激光功率比較高，為了提高熒光陶瓷片的散熱性能，熒光陶瓷片被焊接在一個(gè)銅基板上，見圖8（a），圖中熒光陶瓷片的尺寸為4 mm ×4 mm ×0.2 mm，而銅基板的尺寸為10 mm ×10 mm ×2 mm。

漫反射板采用多孔氧化鋁陶瓷片。為使最終合成的白光在顏色分布上均勻，藍(lán)光光路和黃光光路的光強(qiáng)分布應(yīng)當(dāng)盡可能一致，因此，漫反射板的散射特性和熒光陶瓷片的散射特性也要保持一致。本設(shè)計(jì)采用了0.2 mm厚度的多孔氧化鋁陶瓷片，它具有和熒光陶瓷片相似的散射特性，且厚度也相同。制作漫反射板時(shí)，直接將氧化鋁陶瓷片用硅膠粘貼到鏡面鋁板上，見圖8（b），通過測(cè)試可知其對(duì)光的漫反射率接近100%。

圖9（a）是所設(shè)計(jì)的雙光路激光模組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖9（b）是模組的實(shí)物照片，其中3顆藍(lán)光 LD 采用串聯(lián)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。首先測(cè)量了該激光模組在1 A 電流時(shí)輸出的光通量，測(cè)量結(jié)果見表1，光譜曲線見圖10。從測(cè)量結(jié)果可知，該激光模組可輸出光源色溫為8057 K的白光，其顏色坐標(biāo)（0.291， 0.316）接近黑體輻射曲線，但顯色指數(shù)不高，只有66，這是目前以 YAG ∶Ce 熒光陶瓷來輸出白光的通病。由于輻射光譜中缺少紅光成分，一般只能得到高色溫的白光，且顯色指數(shù)不高。如果增加 Ce 的濃度，雖然可以降低白光的色溫，卻會(huì)導(dǎo)致光效降低，同時(shí)熱淬滅性能變差。當(dāng)前使用的 YAG ∶Ce熒光陶瓷是綜合了顏色和熱淬滅性后的選擇。當(dāng)電流為1 A 時(shí)，激光模組消耗的電功率約為11 W，而輸出的光通量為545.6 lm，據(jù)此可計(jì)算出其光效約為50 lm/W[12]。

圖11顯示了該激光模組的光通量和光效隨激光二極管電流變化的曲線。當(dāng)激光電流為3.4 A時(shí)，其輸出光通量達(dá)到最大值1976 lm；電流超過3.4 A 后，熒光陶瓷片出現(xiàn)飽和，導(dǎo)致輸出光通量斷崖式下降。由于熒光陶瓷片和銅基板之間的焊接工藝提供了良好的可靠性，加之熒光陶瓷片本身具有出色的耐高溫性能，因此出現(xiàn)發(fā)光飽和的熒光陶瓷片并沒有損壞，只要降低電流就可以恢復(fù)正常。

從圖11還可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光電流在1～3 A時(shí)，該激光模組的光效基本都能維持在50 lm/W以上；當(dāng)電流達(dá)到1.8 A 時(shí)，其光效達(dá)到最大值，約為55 lm/W。必須指出的是，所測(cè)得的光通量和光效還包含了激光模組的光收集效率。該激光模組中使用了光回收技術(shù)，這種技術(shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的光收集效率偏低。

為了測(cè)量光回收技術(shù)帶來的光效損失和亮度增益，制作了一個(gè)和反光碗尺寸完全一樣的黑色遮光罩（見圖12）。

對(duì)比測(cè)量時(shí)，用黑色遮光罩替換玻璃反光碗，然后測(cè)量激光模組在1 A 電流時(shí)輸出的光通量，此時(shí)測(cè)得的結(jié)果為365 lm。從熒光陶瓷片發(fā)射的光，其光強(qiáng)分布可近似為朗伯分布，由于黑色遮光罩上部的圓形通光孔正好對(duì)應(yīng)了45°的光錐角度，可估算2片透鏡所收集的光占總光通量的一半，也就是說當(dāng)使用黑色遮光罩時(shí)，系統(tǒng)的光收集效率約為0.5。據(jù)此可計(jì)算出熒光陶瓷片出射的總光通量約為730 lm。再對(duì)比使用玻璃反光碗時(shí)的光通量數(shù)據(jù)（545.6 lm），就可得到使用玻璃反光碗時(shí)系統(tǒng)的光收集效率，計(jì)算結(jié)果約為75%。在理想情況下，被玻璃反光碗反射的光和原光斑正好重合，據(jù)此可計(jì)算反光碗對(duì)熒光陶瓷片中心亮度的增益約為50%，所有的測(cè)量結(jié)果參見表2。由于被反光碗反射回?zé)晒馓沾善系墓膺€會(huì)在陶瓷片內(nèi)擴(kuò)散，所以中心亮度的增益會(huì)小于50%，實(shí)測(cè)結(jié)果大約為40%。

圖13是最終制作的激光探照燈的實(shí)物照片以及戶外照明效果圖。圖中探照燈出光口采用直徑為100 mm 的玻璃透鏡，輸出光束的最小角度約為0.5°（半角），而最大中心光強(qiáng)達(dá)到900 mcd，通過調(diào)焦可使光束角度在0.5°～10°內(nèi)連續(xù)變化。

3 結(jié)論

本文介紹了一款基于合光技術(shù)的可變焦激光探照燈。使用反射鏡陣列對(duì) LD 藍(lán)光進(jìn)行光束合成，再將其入射至設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中。該設(shè)計(jì)的核心是一個(gè)雙光路激光模組，它借助一個(gè)二向色片來實(shí)現(xiàn)藍(lán)光的分光和白光的合成，其合成的白光亮度高且色度均勻。在激光模組的設(shè)計(jì)中還用到了光回收技術(shù)，該方案具有通用性，它非常容易拓寬到更高的功率級(jí)，使用更多的 LD 來實(shí)現(xiàn)更高的光通量輸出。該光學(xué)模組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于擴(kuò)展，可行性和適配性較高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（編輯：李曉莉）