基于合光技术的可变焦激光探照灯设计

王轩宇 杨一涵 石悦言 李阳 黄俐皓 隋国荣

摘要：为增加激光光源的光效，进一步实现远距离照明，可使用基于合光技术的方案，设计一种可变焦激光探照灯。采用多颗蓝光 LD 排成阵列的方法，利用玻璃反光碗的光回收技术，对激光探照灯进行光路设计；同时使用二向色片来控制发散角度，从而实现激光探照灯的可变焦控制。测量激光模组在1 A 电流下输出的光通量，经计算，荧光陶瓷片出射的总光通量约为730 lm。此外，对匀光片的散射特性进行改变，可实现对聚焦激光光斑的控制。此研究实现了可变焦激光探照灯的光路设计以及对聚焦激光光斑的控制，并利用二向色片实现了蓝光和黄光混合白光输出。该光学系统的整体光效较高，有较强的实用意义。

关键词：激光束合光；双光路激光模组；玻璃反光碗；光通量

中图分类号： O 439 文献标志码： 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

从20世纪90年代蓝光发光二极管（lightemitting diode ，LED）的发明开始， LED 逐步成为主流的照明光源，从照明到显示，从室内到室外，从电视到手机，其身影可谓无处不在[1]。然而考虑到亮度、效率等因素，在很多场合 LED 仍然无法完全替代传统器件[2-3]。近年来，与蓝光 LED 同源的激光二极管（ laser diode， LD）发展迅速。 LD 除了具有与 LED一样的安全、环保和寿命长的优点外，还具有辐射发光效率高且不存在效率骤降[4]，色度、色温等特性可调[5]，以及功率密度高，光斑特性好等额外的优势，且在给定色温条件下， LD 的显示特性更好[6]。这些特点使得蓝光 LD 被当作下一代照明光源，引起了广泛的关注[7-8]。

激光光源的主要优势在于光源亮度高[9]，可以实现远距离照明，因此特别适合用于探照灯。随着激光应用技术的发展，在材料加工、遥感、激光雷达、光电对抗等领域，高功率高质量的激光束几乎成为了必需。由于单个激光器物理因素和结构因素的限制，高功率与高质量成为了一对矛盾体，而合光技术为解决这一矛盾提供了一条有效途径。目前，光束合成技术已成为国际研究热点之一，国内外研究人员已经提出多种光束合成技术，包括多光束并束输出、光谱合成、主振荡放大、激光腔腔内合成等方案。目前，单颗蓝光 LD 的额定电功率不超过15 W，为了增加光源的功率，通常将多颗 LD 排成阵列来使用[10]。不同 LD 输出的激光需要先经过准直后再进行光束合成[11]。由于相邻2颗 LD 之间需要保持适当的间距，这导致不同激光光束之间具有较大的间隙，因此压缩激光束之间的间隙使之变为一束更细的光（合光）具有重要意义。

1 原理

对激光束进行合光的方案有很多，最简单的方案是利用反射镜阵列来实现[8]，其原理参见图1。每个小反射镜对应一个激光束，它将该激光束的传播方向进行转折，通过调整小反射镜的位置就可以改变激光束之间的间距。图1显示了如何将激光束之间的间距从原来的 D1缩小到D2。然而，这种方案对反射镜的装配角度非常灵敏，如果不同反射镜的装配角度有偏差，就会导致不同激光束之间不再平行，影响最终聚焦光斑的大小。

为了解决反射镜装配的难题，可以采用45°斜方棱镜来实现激光束合光。斜方棱镜是一种横截面为平行四边形的光学棱镜，它有4个光学面，包括2个全内反射面和2个透射面，其上下平面用于棱镜夹持装配，并非光学面。通过精确控制棱镜4个光学面的角度来实现对光束传播方向的转折。横截面为平行四边形的斜方棱镜能够对激光光束实现平行平移而不改变光束的传播方向（见图2）。即使棱镜装配时发生倾斜，它依然能保证出射激光束相对入射激光束的传播方向不变。斜方棱镜对激光束的平移就可以缩小不同激光束之间的间距，实现对激光光束的合光。

本设计使用了3颗平行排列的蓝光 LD（日亚化学 NUBM 0A），其最大功率可以达到45 W。图3是所设计的探照灯的光学系统图，它可以分为光源和镜头两部分。光源部分是1个双光路激光模组，它是整个系统中最复杂的部分。镜头部分由1个凹透镜和2个凸透镜组成，凹透镜的焦点和2个凸透镜（看成1个组合透镜）的焦点重合。它实际上组成了1个共焦扩束准直系统。从光源模组输出的近似准直的光束，经过镜头扩束后，其发散角会变得更小，而中心光强会变得更强。调焦时，保持2个凸透镜不动，只需调节中间凹透镜的前后位置，就可以改变输出光的角度，实现变焦的功能。

图4是图3中光源模组部分的光学系统图，其中φ表示透镜的通光孔径；1～3为3颗蓝光 LD，彼此平行设置，它们各带1个准直透镜，输出准直激光。为了实现3束激光的合光，需要采用4、5两个斜方棱镜。合光之后的激光束先透过一个匀光片6，然后入射到二向色片7上。二向色片7是最关键的光学器件，它既要实现对蓝光的分光，又要实现对黄光的透射输出，其光谱透过率曲线参见图5。

2 实验结果和分析

从图5可知，当波长为455 nm 的蓝光入射到二向色片7上时，大约有80%的蓝光会被反射，20%的蓝光被透射，即对蓝光进行分光。反射的蓝光会经过透镜8和9的聚焦后入射到荧光陶瓷片11上，此为反射光路；而透射的蓝光经过透镜12和13聚焦后入射到漫反射板15上，此为透射光路。2个光路相对于二向色片7呈对称布置，其中透镜8和12相同，为非球面透镜；透镜9和13相同，为球面透镜。2组透镜分别位于2个光路中，一方面实现对入射蓝光的聚焦，另一方面实现对出射光的收集和准直。由于系统中包含透射光路和反射光路，因此该光源模组被称为双光路激光模组。

在图4所示的光学系统中，匀光片6的散射特性决定了聚焦激光光斑的形状。当透镜8和9将激光聚焦到荧光陶瓷片11上时，本质是对其空间光场进行了傅里叶变换，激光束的空间光强分布最终变为激光光斑的表面光场分布。准直激光透过匀光片后会形成有一定发散角的光束。如果光束发散角大，那么聚焦光斑面积就大；如果光束的光强分布均匀，那么聚焦光斑的表面光场分布也会均匀。因此，只要改变匀光片6的散射特性就可以实现对聚焦激光光斑的控制。

本设计方案选择了全角为4°的玻璃匀光片（按照1/e2的强度），这种匀光片通过对平板玻璃进行化学刻蚀来制得。图6（a）是制备的玻璃匀光片的表面形貌图，图6（b）是准直蓝激光透过匀光片之后的扩散光斑图像，图6（c）是图6（b）中光斑剖面的强度分布曲线。从曲线可知，准直激光经过匀光片后的光强分布可近似为高斯分布。

在图4的光学系统中，10和14为玻璃反光碗，其内表面为球面，并镀有高反射膜。荧光陶瓷片11和漫反射板15分别位于反光碗的球心处。从荧光陶瓷片发射的光，有一部分会照射到反光碗的内壁，然后被反光碗反射回球心。反射回球心的光将再次被荧光陶瓷片散射后输出，这可以提高荧光陶瓷片中心的亮度。该技术可称之为光回收技术，其本质是基于腔增强理论。本设计方案中采用了45°的玻璃反光碗（见图7）。以反光碗的中心光轴为轴线，与光轴夹角在0°～45°的光可以通过反光碗上端的开口出射，而夹角在45°～90°的光将被反光碗内壁反射回收。由于光回收技术可以对大角度范围内的光进行回收利用，所以透镜8和9只需要对0°～45°角度范围内的光进行收集。这大大降低了透镜的设计难度，只需要使用普通折射率的 K9玻璃透镜即可实现。此外，由于收光角度变小，透镜镀膜更简单，而整个系统的色散也会更小。

从荧光陶瓷片发射的黄光经过透镜组8和9收集后会变为准直黄光，然后入射到二向色片7上。从图5中的镀膜曲线可知，二向色片对波长在490～690 nm 的光具有很高的透过率，因此，从荧光陶瓷片发射的黄光几乎都可以透过二向色片而输出。同时，被漫反射板15反射的蓝光，经过透镜组12和13收集后变为准直蓝光，然后入射到二向色片7上被分光，其中80%的蓝光被二向色片反射后输出，而其余20%的蓝光会因为透射而损失掉。漫反射板15对蓝光的反射率接近100%。因此，整个光学系统输出的蓝光占总入射蓝光的比例大约为20%×80%=16%，而系统损失的蓝光占比为20%×20%=4%。输出的蓝光与黄光混合最终便可合成白光。因此，借助一个二向色片即可同时实现蓝光和黄光的输出，且系统的整体光效也比较高。

在图4的光学系统中，如果荧光陶瓷片11上有未被吸收的蓝光反射出来，那么反射蓝光中的绝大部分（约80%）光都会损失掉。因此本设计方案希望荧光陶瓷片对蓝光的吸收系数越高越好。同时，为了配合反光碗的光回收技术，又希望荧光陶瓷片具有良好的散射特性。只有散射强，才能使反光碗的光回收效率高；同时荧光陶瓷片的散射还能使陶瓷片上的光斑扩散范围小，亮度更高。本设计案例采用了德国肖特公司的黄色荧光陶瓷片。由于使用的激光功率比较高，为了提高荧光陶瓷片的散热性能，荧光陶瓷片被焊接在一个铜基板上，见图8（a），图中荧光陶瓷片的尺寸为4 mm ×4 mm ×0.2 mm，而铜基板的尺寸为10 mm ×10 mm ×2 mm。

漫反射板采用多孔氧化铝陶瓷片。为使最终合成的白光在颜色分布上均匀，蓝光光路和黄光光路的光强分布应当尽可能一致，因此，漫反射板的散射特性和荧光陶瓷片的散射特性也要保持一致。本设计采用了0.2 mm厚度的多孔氧化铝陶瓷片，它具有和荧光陶瓷片相似的散射特性，且厚度也相同。制作漫反射板时，直接将氧化铝陶瓷片用硅胶粘贴到镜面铝板上，见图8（b），通过测试可知其对光的漫反射率接近100%。

图9（a）是所设计的双光路激光模组的内部结构图，图9（b）是模组的实物照片，其中3颗蓝光 LD 采用串联的方式进行驱动。首先测量了该激光模组在1 A 电流时输出的光通量，测量结果见表1，光谱曲线见图10。从测量结果可知，该激光模组可输出光源色温为8057 K的白光，其颜色坐标（0.291， 0.316）接近黑体辐射曲线，但显色指数不高，只有66，这是目前以 YAG ∶Ce 荧光陶瓷来输出白光的通病。由于辐射光谱中缺少红光成分，一般只能得到高色温的白光，且显色指数不高。如果增加 Ce 的浓度，虽然可以降低白光的色温，却会导致光效降低，同时热淬灭性能变差。当前使用的 YAG ∶Ce荧光陶瓷是综合了颜色和热淬灭性后的选择。当电流为1 A 时，激光模组消耗的电功率约为11 W，而输出的光通量为545.6 lm，据此可计算出其光效约为50 lm/W[12]。

图11显示了该激光模组的光通量和光效随激光二极管电流变化的曲线。当激光电流为3.4 A时，其输出光通量达到最大值1976 lm；电流超过3.4 A 后，荧光陶瓷片出现饱和，导致输出光通量断崖式下降。由于荧光陶瓷片和铜基板之间的焊接工艺提供了良好的可靠性，加之荧光陶瓷片本身具有出色的耐高温性能，因此出现发光饱和的荧光陶瓷片并没有损坏，只要降低电流就可以恢复正常。

从图11还可发现：当激光电流在1～3 A时，该激光模组的光效基本都能维持在50 lm/W以上；当电流达到1.8 A 时，其光效达到最大值，约为55 lm/W。必须指出的是，所测得的光通量和光效还包含了激光模组的光收集效率。该激光模组中使用了光回收技术，这种技术会导致系统的光收集效率偏低。

为了测量光回收技术带来的光效损失和亮度增益，制作了一个和反光碗尺寸完全一样的黑色遮光罩（见图12）。

对比测量时，用黑色遮光罩替换玻璃反光碗，然后测量激光模组在1 A 电流时输出的光通量，此时测得的结果为365 lm。从荧光陶瓷片发射的光，其光强分布可近似为朗伯分布，由于黑色遮光罩上部的圆形通光孔正好对应了45°的光锥角度，可估算2片透镜所收集的光占总光通量的一半，也就是说当使用黑色遮光罩时，系统的光收集效率约为0.5。据此可计算出荧光陶瓷片出射的总光通量约为730 lm。再对比使用玻璃反光碗时的光通量数据（545.6 lm），就可得到使用玻璃反光碗时系统的光收集效率，计算结果约为75%。在理想情况下，被玻璃反光碗反射的光和原光斑正好重合，据此可计算反光碗对荧光陶瓷片中心亮度的增益约为50%，所有的测量结果参见表2。由于被反光碗反射回荧光陶瓷片上的光还会在陶瓷片内扩散，所以中心亮度的增益会小于50%，实测结果大约为40%。

图13是最终制作的激光探照灯的实物照片以及户外照明效果图。图中探照灯出光口采用直径为100 mm 的玻璃透镜，输出光束的最小角度约为0.5°（半角），而最大中心光强达到900 mcd，通过调焦可使光束角度在0.5°～10°内连续变化。

3 结论

本文介绍了一款基于合光技术的可变焦激光探照灯。使用反射镜阵列对 LD 蓝光进行光束合成，再将其入射至设计的光学系统当中。该设计的核心是一个双光路激光模组，它借助一个二向色片来实现蓝光的分光和白光的合成，其合成的白光亮度高且色度均匀。在激光模组的设计中还用到了光回收技术，该方案具有通用性，它非常容易拓宽到更高的功率级，使用更多的 LD 来实现更高的光通量输出。该光学模组结构简单，易于扩展，可行性和适配性较高，具有广阔的应用前景。

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（编辑：李晓莉）