红外激光光源

红外激光光源

苏美开

（济南福来斯光电技术有限公司，flsoe@ ）

1概述

尽管低照度CCD 摄像技术和微光夜视技术现在已经取得巨大进步，但是在低照度环境下，所有的图像监视装置接收到的仍然只是高噪声、低分辨率的模糊图像。原因是光线太弱。采用半导体激光红外光源可以从根本上改进夜间、尤其是夜间远距离拍摄的效果。 半导体红外激光光源是专为红外夜视系统配置的、远距离红外照明光源；配合红外摄像机、黑白CCD 摄像机或微光夜视系统用于夜间及24小时的、全天候条件下的监视摄像，照明距离从几米到数公里。

2 光束整形

激光束压缩透镜主要用于将激光光束发散角进行压缩,在一般距离上观察时为了在不同距离上都能正常观察目标,通常采用变倍镜头,即近距离将光束发散角变大,这样照明范围大,光强度变弱,成像部分不会因为光强度大而饱和,远距离让将光束发散角变小,这样照明范围小,光强度变强,成像部分不会因为远距离衰减,从而增大观察距离。

光斑整型的目的主要是为了将半导体激光器光斑整成圆型或方型。我们知道，半导体激光器输出光斑是椭圆形，水平和垂直发散角一般为θ‖×θ⊥=8º×40º。不可能用于直接照明观察，因此需要整成圆型或方型。对于用于有监视器观察显示的通常整理成长方型。 CCD 光敏面为矩型,且其长宽之比为3:4，这样如果我们将激光光斑整形为此比例的矩行，则正好相互匹配，产生的视觉效果非常好。如果其中一个方向上视场角正好为激光器水平发散角（如8º）。

可以将垂直方向发散角压缩为11º或6º。设柱透镜焦距为f, LD 发光带尺寸为d ，则，由几何光学可知，LD 光束经透镜后发散角为

f d

=θ 则θd

f =

（1） 由（1）即可确定需要的最短焦距值。由此可以得到需要的激光器最小有效孔径为 )2/tan(2⊥=θf D （2）

LD LEN

例如，808nm 2W 管子光带尺寸为0.001×0.2mm,θ=6×180π

=0.1，代入（1）得f=2mm 。由（2）可得到D=2×2tan20º=1.5mm 。

在实际应用中，考虑到所使用透镜的通用性，例如，光束发散角压缩到0.5 º是可能的，此时由上面的计算得f=24mm ，D=2×24tan20º=18mm 。这就是实际我们采用透镜的技术参数。 理想情况下，准直透镜可以把光源准直成一个完好的平行光束，但是实际情况并不能实现，平面光束的直径可由下式决定

21

22])(1[D z D D z λ+= （3）

其中，λ是激光波长，z 是光束传输距离，z D 是在距离z 处光斑直径。在近场时即z

≈0时，（3）得D D z ≈，与光斑直径与透镜有效孔镜相同。在远常时2D z λ»1，（3）得

D z D z λ=，则最小光束发散角为

D m λθ≅ （4） 例如，对于808nm 激光，D=1.5mm 时，5.1108083

−×≅m θmrad=0.6mrad 。

m θ实际是衍射极限光束角。可见要想得到理想的光束发散角,必须通过增加透镜焦距,增大通光孔径的方法,这样就要增大光学系统的体积。

LD 光束是椭圆高斯光束,

光束的垂直发散角较大, 其横

场由于有高阶模的存在而呈若

干长条状, 光斑极不均匀。LD

光束若直接使用是不会得到好

的照明效果的, 而必需对其进

行整圆和光斑均匀化处理。LD

光束整圆可利用椭圆微透镜或

二元光学元件进行, 我们提出使用光纤对LD 光束进行整圆和光斑均匀化的思路, 这种方法工艺、结构简单, 系统光学元件数少, 耦合效率高, 适合于制作小体积、大功率的照明光源。用于光束整理的光纤为阶跃折射率型多模单根光纤或光纤束。

光纤对LD 椭圆高斯光束的整圆, 可以用纤维光学的射线理论来解释。光纤是由内、外两层折射率不同的材料拉制而成的细丝, 光线在其中全反射向前传输。通过对子午光线分析可知, 一直径很小的光束, 当它与光纤轴呈A 夹角进入圆柱形光纤后, 在光纤输出端可以形成一个空心圆光锥[1 ] , 锥角为2B, A= B, 其传输行为如图1 所示。由斯涅尔定律可知, 光纤孔径角H 是光纤的最大入射角, 相应的表示光纤聚光能力的物理量是数值孔径, 用NA 表示。A 在0～ H 之间变化时, 锥角2B 也在0～ 2H 之间相应变化。当A> H 时, 光线将不被传输[1 ]。当光纤弯曲时, 其数值孔径一般说来要减小。在实际使用时, 受多方

图1 光线通过直圆柱光纤的传输行为

面因素的影响, 实测的A、B值要比孔径角H的理论值小。

LD 光束可近似地处理为点光源发出的椭圆形立体光锥。当光锥顶点置于光纤轴并通过光纤传光时, 由上述分析不难得出LD 光束被光纤整圆的结论。用光纤束整圆的效果与用单根光纤一样。整圆后的光锥锥角一般小于50°

LD通过光纤耦合后，得到圆光斑，再通过光学系统可以非常容易进行发散角压缩，采用列阵耦合得到的多纤芯捆绑的大芯径光纤输出激光器，光斑均匀，性能可靠，使用灵活。因此大功率耦合方法是我们在3。3。3中将重点研究描述。

3 光斑均匀化处理

激光照明光学透镜整型输出，存在均匀化处理问题。采用单个大功率激光管，同样由于模式问题，造成不能消除的斑纹状。图2a是单个2W808nm激光器经过光学透镜压缩后的光斑，图2b是两个2W808nm激光器经过光学透镜压缩后的重叠后光斑。从图明显看出，后者均匀性明显提高，这是由于二者互补后，将一些暗条纹变亮的结果。

当然，在实际调试中，需要精心挑选激光器，尽可能将两个激光器互补性好的选择在一组。并且需要将他们的光轴要调整平行，否则二者重叠性差，影响照明距离（图3）。我们还设计出四个激光器（图4）同时照明的激光灯，这样光斑均匀性更好，且可以增加视距。

图2a单个2W808nm激光器压缩后的光斑图2b两个2W808nm激光器压缩后重叠光斑图3双 808nm激光器照明灯图4 四路808nm激光器照明灯