CN103633557A - 一种激光雷达半导体激光光源准直扩束装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达半导体激光光源准直扩束装置,该装置主要由一片非球面透镜、一片石英负透镜、一片石英正透镜以及可调谐法兰等组成。装置结构简单、成本低、具有较好光束准直性能，可以把半导体激光器的发散角由0.2×0.4rad压缩至0.2mrad以下，满足激光雷达对探测光源的要求；装置光学和机械性能稳定，可以在18级随机震动，-30℃--50℃环境温度中使用，满足在恶劣条件下激光雷达对稳定的要求；装置设置有法兰，通过微调扩束装置的法兰，可以获取不同发散角的半导体激光光源；通过调整法兰，装置也可应用于其他不同波长光源光束准直。

Description

一种激光雷达半导体激光光源准直扩束装置

技术领域

本发明涉及一种准直扩束装置，具体为一种应用于激光雷达探测光源的半导体激光器的准直扩束装置。

背景技术

半导体激光器是一类用途非常广泛的光电子器件，具有光电转换效率高、体积小、寿命长、功率密度高等优点，被广泛应用于材料加工、激光打标、激光打印、激光测距、激光存储等民用领域，以及激光制导、激光武器等军事领域，半导体激光器技术几乎涵盖了几乎所有光电子领域。

在激光雷达领域，半导体激光器作为探测光源的应用，进一步激光雷达体积小和重量，增加了激光雷达探测波长和精度高,被广泛用大气污染、云层、大气能见度等等的遥感探测。但半导体激光器存在一个严重的不足，就是它的光束不对称性，具有较大的光束发散角，这是半导体激光器的固有的结构特点决定的。一般半导体激光器的光斑形状成椭圆形，垂直于发光面的方向（快轴）具有较大的发散角，通常为40°左右，平行于发光面方向（慢轴）的发散角相对较小，大约在10°左右。而激光雷达探测光束的发散角一般在0.05-3mrad之间，显然半导体激光器光束的准直技术是其在激光雷达领域应用的关键。

目前，现有的半导体激光器光束准直的方法有三种，一种是柱透镜进行快轴和慢轴方向的角度准直和整形，柱透镜的调整容差较小，如北京国科世纪激光技术有限公司公开的发明专利“高功率半导体激光列阵的光束转换整形装置”CN101055973A（公开日2007年10月17日），中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的发明专利“对半导体激光器出射光束的整形方法”CN101609212A（公开日2009年12月23日）等等专利中描述的半导体光束整形装置分别对半导体光束的快轴和慢轴进行整形，经常这类装置整形后光束质量得到改善，但是其发散角依然很大，无法满足激光雷达对发射光源的要求；另一种采用单透镜对半导体激光器输出光束的准直，这种半导体激光器光束整形装置是传统的准直和整形方法，具有结构简单、方便经济，但是效果更差，准直度较低，这种方法一般用对光束质量和发散角要求较低的装置中；还有一种采用发射望远镜对半导体激光器输出光束进行准直，这种方法也是目前激光雷达装置常用的一种方法，如用于中国科学院上海光学精密机械研究所公开的一种发明专利“高功率半导体激光器的激光望远镜”CN2387553Y（授权公告日2000年7月12日），其通过放大倍数的望远镜对半导体激光器光束进行扩束处理，达到压缩发散角的目的，这个方法可得到很好的准直效果，但是该半导体激光器光束整形装置的主要缺点是所使用的望远镜体积较大，结构复杂，成本高，体积大，而且整个扩束装置的光学和机械稳定性较差，容易受到其他因素的影响。

发明内容

本发明专利的目的在于提供一种激光雷达中使用的半导体激光光源准直扩束装置，该装置具有准直后光束的发散角小、光学和机械稳定高、结构简单和成本较低的优点。

本发明要解决的问题是解决半导体激光雷达发散角太大，无法在激光雷达中应用的问题，提供一种激光雷达半导体激光光源准直扩束装置，可以把高功率脉冲半导体激光器的发射角压缩至0.2mrad，以保证激光雷达对探测光源的需求；根据传统物理光学理论可知，扩束装置的准直特性与扩束性能是相关，也就是说光束的发散角与光斑大小反相关，如果要得到发散角非常小的准平行光束，要求扩束装置的扩束倍数很大，能够把光束的光斑扩束至很大才行，所以通常情况下，扩束镜倍数一般在20倍以下。本发明专利，针对半导体激光光源的特性创新地设计了三镜片式准直扩束装置，将一片高阶非球面应用于半导体激光光源准直扩束装置中，有效提高扩束装置在压缩光束发散角方面的性能，装置可以将光束的光斑直径控制在合理数值范围内，同时把光束的发散角压缩至很小，以保证在激光雷达探测对光源的要求；此外，激光雷达半导体激光光源准直扩束装置的结构简单、具有很好的光学稳定性，机械结构稳定性，可以在18级随机震动，-30℃--50℃环境中使用，满足在负责条件下激光雷达使用需求；对波长750--1400nm范围的激光透过率优于90%，有助于提高激光雷达系统的稳定性和探测性能，满足了激光雷达长时间业务化自动在线探测的需要。

本发明技术解决方案：一种激光雷达半导体激光光源准直扩束装置，包括：非球面透镜2、石英负透镜3、石英正透镜4组成。半导体激光器1的置于非球面透镜2前8-10mm，半导体激光器1发射的探测光沿中心光轴5，依次通过非球面透镜2、石英负透镜3和石英正透镜4三个透镜的中心光轴与装置光轴5重合；所述非球面透镜2材料为BK7，数值孔径为0.4,有效焦距为11mm，外径为7.5mm,通光孔径为6.80mm,前表面和后表面镀宽带增透膜，透过率大于99.5%；非球面透镜2安装在第一可调法兰6中，可以沿中心光轴5前后调谐，可调谐范围为±2mm；所述石英负透镜3为弯月镜，外径为10mm，通光孔径为8mm，前面和后面的曲率半径分别为-30.2和-120.7mm,前表面和后表面镀宽带增透膜,透过率大于99%,石英负透镜3安装在第二可调法兰7中，距离非球面透镜2为3mm,可以沿中心光阑前后微调，微调距离为±1mm；所述石英正透镜4为平凸镜，外径为90mm，通光孔径86mm，后表面曲率半径分别为-325.3mm，前表面和后表面镀宽带增透膜,透过率大于99%，固定安装在半导体激光器准直扩束装置的输出端,距离石英负透镜3为150mm；

半导体激光光源准直扩束装置具有良好的光束准直性能，能够将半导体激光器的发散角由原来的0.2×0.4rad压缩至0.2mrad以下，已满足激光雷达对探测光源的要求；

半导体激光器准直扩束装置为一体化设计，光学稳定性高，机械稳定性高，在18级随机震动，-30℃--50℃环境在使用，装置能够正常使用；

半导体激光器准直扩束装置中非球面透镜2、石英负透镜3和石英正透镜4的前后表面均镀有波长为750--1400nm的宽带增透膜，微调第一法兰6和第二可调法兰二7后，可用于其他不同波长半导体激光器光源的准直扩束，具有一定的通用性。

半导体激光器准直扩束装置结构简单，仅用三个镜片实现光束准直，且光束发散角可调，通过调谐第一可调法兰6和第二可调法兰7可以获取不同发散角的探测光。

光束经半导体激光器准直扩束装置扩束后，光斑直径在80mm左右，对波长750--1400nm范围的激光透过率优于90%。

本发明与现有技术相比的有益效果：

（1）本发明中针对半导体激光光源的特性创新地设计了三镜片式准直扩束装置，将一片高阶非球面应用于半导体激光光源准直扩束装置中，有效提高扩束装置光束准直性能，可以将光束的光斑直径控制在合理数值范围内，同时把光束的发散角压缩至很小，保证在激光雷达探测对光源发散角的要求；而传统的激光雷达扩束装置的准直性能与扩束性能是相关，也就是说光束的发散角与光斑大小反相关，如果要得到发散角非常小，准平行的光束，要求扩束装置有很大的扩束倍数，把光束的光斑扩束至很大才行，所以传统的激光雷达扩束装置不能满足半导体激光器探测需求。

（2）本发明中激光雷达半导体激光光源准直扩束装置，为了满足激光雷达探测对信号信噪比的要求，未对探测光光束进行整形处理，使得装置具有非常高透过率，在波长750--1400nm范围激光透过率优于90%。

（3）本发明中激光雷达半导体激光光源准直扩束装置结构简单，装置为一体化设计，具有较高光学稳定性和机械稳定性，在18级随机震动中，-30℃--50℃环境温度中，装置能够正常使用，满足激光雷达对光源稳定性的要求，满足激光雷达长时间业务化自动在线探测的需要。

附图说明

图1为本发明装置的光学结构示意图；

图2为本发明装置的机械结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种激光雷达半导体激光光源准直扩束装置的光学结构由非球面透镜2、石英负透镜3、石英正透镜4组成。半导体激光器1的置于非球面透镜2前8-10mm，半导体激光器1发射的探测光沿中心光轴5，依次通过非球面透镜2、石英负透镜3和石英正透镜4三个透镜的中心光轴与装置光轴5重合；所述非球面透镜2材料为BK7，数值孔径为0.4,有效焦距为11mm，外径为7.5mm,通光孔径为6.80mm,前表面和后表面镀宽带增透膜，透过率大于99.5%；非球面透镜2安装在第一可调法兰6中，如机械结构示意图图2所示，可调法兰一6可以沿中心光轴5前后调谐，可调谐范围为±2mm；所述石英负透镜3为弯月镜，外径为10mm，通光孔径为8mm，前面和后面的曲率半径分别为-30.2和-120.7mm,前表面和后表面镀宽带增透膜,透过率大于99%,石英负透镜3安装在第二可调法兰7中，距离非球面透镜2为3mm,可以沿中心光阑前后微调，微调距离为±1mm；所述石英正透镜4为平凸镜，外径为90mm，通光孔径86mm，后表面曲率半径分别为-325.3mm，前表面和后表面镀宽带增透膜,透过率大于99%，固定安装在半导体激光器准直扩束装置的输出端,距离石英负透镜3为150mm；

本发明工作过程：

半导体激光器准直扩束装置具有良好的光束准直性能，能够将半导体激光器的发散角由原来的0.2×0.4rad压缩至0.2mrad以下，已满足激光雷达对探测光源的要求；

半导体激光器准直扩束装置为一体化设计，具有较高光学稳定性和机械稳定性，在18级随机震动，-30℃--50℃环境中使用，装置能够正常使用；

半导体激光器准直扩束装置中非球面透镜2、石英负透镜3和石英正透镜4的前后表面均镀有波长为750--1400nm的宽带增透膜，调谐第一可法兰6和第二可调法兰7后，可用于不同波长半导体激光器光源的准直扩束，具有一定的通用性。

光束经半导体激光器准直扩束装置扩束后，光斑直径在80mm左右，对波长750--1400nm范围的激光透过率优于90%；

半导体激光器准直扩束装置结构简单，仅用三个镜片实现光束准直，且光束发散角可调；装置调谐第一可调法兰6和第二可调法兰7的距离，可以获取不同发散角的探测光。以905nm探测光为例，第一可调法兰6位于非球面透镜2前3mm时，第二可调法兰7位于第一可调法兰6前150mm时，可以获得0.2mrad发散角的探测光，这是装置能够获得的最小发散角探测光，保持其他光路不变，减小或者增加第一可调法兰6与非球面透镜2间的距离都可以获取更大发散角的探测光，±2mm范围内，调谐第一可调法兰6的位置，可以获得0.2mrad-310mrad之间不同大小的发散角；保持其他光路不变，±1mm范围内，减小或者增加第二可调法兰7与第一可调法兰6的距离，可以获得0.2mrad-65mrad之间不同大小的发散角。

总之，本发明使用一片非球面透镜、一片石英负透镜、一片石英正透镜和两个可调谐法兰设计一种激光雷达半导体激光光源准直扩束装置。装置结构简单、成本低、具有较好光束准直性能，可以实现把半导体激光器的发散角由0.2×0.4rad压缩至0.2mrad以下，满足激光雷达对探测光源的要求；装置光学性能和机械结构稳定，可以在18级随机震动中，-30℃--50℃环境温度中使用，满足在各种条件下激光雷达使用需求；装置设置有法兰，通过微调扩束装置的法兰，可以获取不同发散角的半导体激光光源；装置具有通用性，通过调整两个法兰，装置也可应用于不同波长光源光束准直。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (6)

1.一种激光雷达半导体激光光源准直扩束装置，其特征在于包括：非球面透镜（2）、石英负透镜（3）和石英正透镜（4）；半导体激光器（1）置于非球面透镜（2）前8-10mm，半导体激光器（1）发射的探测光沿中心光轴（5），依次通过非球面透镜（2）、石英负透镜（3）和石英正透镜（4）三个透镜的中心光轴与装置光轴（5）重合；所述非球面透镜（2）材料为BK7，数值孔径为0.4,有效焦距为11mm，外径为7.5mm,通光孔径为6.80mm,前表面和后表面镀宽带增透膜，透过率大于99.5%；非球面透镜（2）安装在第一可调法兰（6）中，能沿中心光轴（5）前后调谐，可调谐范围为±2mm；所述石英负透镜（3）为弯月镜，外径为10mm，通光孔径为8mm，前面和后面的曲率半径分别为-30.2和-120.7mm,前表面和后表面镀宽带增透膜,透过率大于99%,石英负透镜（3）安装在第二可调法兰（7）中，距离非球面透镜（2）为3mm,能沿中心光阑前后微调，微调距离为±1mm；所述石英正透镜（4）为平凸镜，外径为90mm，通光孔径86mm，后表面曲率半径分别为-325.3mm，前表面和后表面镀宽带增透膜,透过率大于99%，固定安装在半导体激光器准直扩束装置的输出端,距离石英负透镜（3）为150mm。 

2.根据权利要求1所述的一种激光雷达半导体激光光源准直扩束装置，其特征在于：半导体激光光源准直扩束装置具有良好的光束准直性能，能够将半导体激光器的发散角由原来的0.2×0.4rad压缩至0.2mrad以下，已满足激光雷达对探测光源的要求。 

3.根据权利要求1所述的一种激光雷达半导体激光光源准直扩束装置，其特征在于：半导体激光器准直扩束装置为一体化设计，光学稳定性高，机械稳定性高，在18级随机震动，-30℃--50℃环境在使用，装置能够正常使用。 

4.根据权利要求1所述的一种激光雷达半导体激光光源准直扩束装置，其特征在于：所述非球面透镜（2）、石英负透镜（3）和石英正透镜（4）的前后表面均镀有波长为750--1400nm的宽带增透膜，经过第一可调法兰（6）和第二可调法兰（7）后，用于其他不同波长半导体激光器光源的准直扩束，具有一定的通用性。 

5.根据权利要求1所述的一种激光雷达半导体激光光源准直扩束装置，其特征在于：所述半导体激光器准直扩束装置结构简单，仅用三个镜片实现光束准直，且光束发散角可调，通过第一可调法兰（6）和第二可调法兰（7）能够获取不同发散角的探测光。 

6.根据权利要求1所述的一种激光雷达半导体激光光源准直扩束装置，其特征在于：所述光束经半导体激光器准直扩束装置扩束后，光斑直径在80mm左右，对波长750--1400nm范围的激光透过率优于90%。 

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