CN103840369A - 用于探测距离增加的自混合干涉测量术的激光传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于自混合干涉测量术的激光传感器。该激光传感器包括至少一个发射激光辐射的半导体激光光源和至少一个监测该激光光源的激光辐射的光电探测器（6）。该激光光源是具有在第一端镜（4）的前侧上布置成层结构（15）的增益介质（3）的VECSEL，所述第一端镜（4）与外部第二端镜（5）形成外腔。所提出的激光传感器提供了增加的探测距离并且能够以低成本的生产工艺来制造。

Description

用于探测距离增加的自混合干涉测量术的激光传感器
技术领域
本发明涉及一种用于自混合干涉测量术的激光传感器，其包括至少一个发射激光辐射的半导体激光光源和至少一个监测该激光光源的激光辐射的光电探测器。
基于自混合干涉测量术（SMI）的激光传感器提供了测量速度、振动和距离的可能性，并且因此覆盖了宽的应用范围。SMI激光传感器利用下述效应：从目标物体被向后散射并再次进入激光腔的激光与谐振辐射干涉并因此影响该激光器的输出特性。当该激光器以高出激光阈值不太多的情形操作时，对向后耦合的光的响应是线性的，并且所得的输出功率或频率变化包含关于所述目标物体相对于传感器的运动或距离的可追踪的信息。经由光电探测器收集包含该信息的激光输出信号。
背景技术
在SMI激光传感器中，半导体激光器通常用作激光光源。如果这些激光器用所定义的电流形状（例如周期性的锯齿形或三角形电流）来操作，则激光的输出频率几乎即刻地遵循这些电流变化，这归因于同时改变的光学谐振器长度。所得的谐振光与向后散射的光之间的频率差异可以在适当的评价单元中被评价并且被转化回期望的位置或速度信息。
红外垂直腔表面发射激光器（VCSEL）在光通信应用中十分常见。该激光腔由两个分布布拉格反射器（DBR）的堆叠组成，这两个堆叠外延地生长在合适的衬底上并且围成由几个量子阱构成的增益区域。该DBR层还接管了将电流馈送到所述增益区域中的任务。因此所述DBR之一是n掺杂，而另一个为p掺杂。在这样的VCSEL中，所述DBR中的一个设计为高反射性的，典型地p-DBR针对激射（lasing）波长的反射率为>99.9%，而另一个DBR允许激光辐射的高效向外耦合（outcoupling）并且因此也允许从目标物体进入激光腔的反馈。VCSEL的卓越优点在于，它们的表面发射特性使得它们适合于晶片级上的大量的生产和测试，这开放（open）了低成本生产工艺的可能性。而且，可以经由发射表面的面积将输出功率缩放至一定程度。可以通过使用VCSEL阵列获得更大的输出功率。
已知的基于自混合干涉测量术的并且包括VCSEL作为激光光源的激光传感器是飞利浦的激光甲虫（Laser Beetle）。该激光传感器被用作PC激光鼠标中的运动传感器。该VCSEL发射大约1μm波长且具有几毫瓦的典型输出功率的红外光。由于VCSEL的短的相干长度和低输出功率密度，该传感器的探测距离被限制于几个毫米。这个短的探测距离是具有VCSEL作为激光光源的激光传感器的主要缺陷。因为SMI激光传感器的感测原理利用了谐振辐射与向后散射的辐射之间的干涉，所以这样的器件的最大可达到距离被限制为所述激光辐射的相干长度lc的一半，该相干长度lc近似为：
Figure 2014100874706100002DEST_PATH_IMAGE002
,
其中λ0是激光辐射的中心波长，而ΔλFWHM是其光谱线宽（在最大值的一半处的全宽）。根据典型的中心波长～1μm和发射半宽～0.2nm来估计现存的基于VCSEL的SMI传感器的相干长度，获得lc的值为lc≈5mm，这很好地符合现有器件的探测距离。然而，短的探测距离将这样的基于VCSEL的SMI激光传感器的应用限制于短距离应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于半导体激光光源的SMI激光传感器，其超过了基于VCSEL的SMI激光传感器的探测距离并且仍然能够以低成本的生产工艺来制造。
该目的可以利用如权利要求1中所限定的SMI激光传感器实现。该激光传感器的有利实施例是从属权利要求的主题或者在说明书的后续部分中描述。
所提出的SMI激光传感器包括至少一个发射优选地频率被调制的激光辐射的半导体激光光源和至少一个监测或感测该激光光源的激光辐射的光电探测器。该激光传感器的特征在于，该激光光源是具有在第一端镜的前侧上布置成层结构的增益介质的垂直外腔表面发射激光器（VECSEL），所述第一端镜与外部第二端镜形成外腔。在这样的VECSEL中，外腔的长度影响所发射的激光辐射的相干长度。传感器控制单元设计为使该VECSEL以这样的方式操作：仅仅在第一和第二端镜之间发生激射。
由于所述外腔，激光光源的相干长度相对于VCSEL显著增加。激光辐射的相干长度通过其半宽ΔλFWHM与激光谐振器的腔长度直接相关。例如，对于法布里-珀罗（Fabry-Perot）腔，所述线宽由下式确定：
Figure 2014100874706100002DEST_PATH_IMAGE004
，
其中F是激光腔的精细度（Finesse），其依赖于定义的激光镜的反射率，ΔλFSR是自由光谱范围，即两个相邻的纵腔模之间的波长间距。该自由光谱范围通过下面的关系式依赖于腔长度D：
Figure 2014100874706100002DEST_PATH_IMAGE006
将该关系式与上述相干长度lc关系式相结合，得到：
Figure 2014100874706100002DEST_PATH_IMAGE008
显然，对于激光腔的恒定反射属性，所发射的辐射的相干长度lc与腔长度D成比例。
VECSEL的增加的腔长度导致与VCSEL相比相干长度lc的显著增加和功率密度的增加。因此，SMI激光传感器的操作或探测距离以相同的比例增加。与VCSEL的腔长度相比，其约为10μm，根据本发明的VECSEL的腔长度>1mm。这导致SMI激光传感器的工作距离可观地延长至几米，从而将允许取代更昂贵的技术（比如短距离雷达（RADAR））并且还提供了这样的传感器在汽车应用（例如泊车辅助、盲角监视等等）或者运动检测领域中广泛使用的可能性。
由于该VECSEL基于VCSEL构造，所以这样的激光传感器仍然能够以低成本生产工艺通过相似的方式生产。增加的有效腔长度还改进了束质量并且因此便于准直在远距离处的感测激光束。
由于其构造，VECSEL允许通过经由所述外部镜的运动改变外腔长度来进行激光辐射的波长扫描或波长调谐，这对于距离测量是必需的。在所提出的激光传感器的一个实施例中，位移单元连接到外部镜，这允许该镜的受控运动改变外腔的腔长度。该位移单元优选地设计为周期性地调制腔长度。通过对腔长度的这种调制，由VECSEL发射的激光辐射的中心波长得到调制。例如，该位移单元可以包括其上安装该外部镜的合适的压电致动器。也可以使用其他类型的位移单元或致动器。
VECSEL的构造还允许将波长扫描或波长调谐元件设置在外部镜与增益介质之间。这样的波长调谐单元的优选实例为法布里-珀罗干涉计或标准具（etalon）。法布里-珀罗干涉计包括合适的致动器，以用于调制其两个部件之间的距离。标准具由合适的致动器驱动，该致动器在不同方向或角度之间旋转该标准具以用于VECSEL的波长扫描或波长调谐。
在另一个实施例中，所述控制单元控制合适的电源（power source），以调制VECSEL的操作电流而用于调制激光波长。该控制单元可以设计为例如允许用锯齿形或三角形操作电流来操作该激光器。增益介质的折射率随着电流改变，导致激光腔的有效光学长度改变。这允许经由注入的电流来实现激光辐射的波长调谐。
在所提出的激光传感器的另一个实施例中，几个VECSEL并排设置成一维或二维阵列。每个VECSEL以相同的方式设计并且具有对应的光电探测器用于感测激光输出。通过借助于合适的反馈机制在这样的阵列中相干地耦合VECSEL，与仅仅具有单个VECSEL的激光传感器相比，可以获得更高的激光功率以用于感测或测量。
在优选实施例中，这样的阵列的VECSEL的外部镜设计成将激光辐射的一部分偏转，从而穿过一个或几个相邻的VECSEL的增益介质。这可以通过适当成形的外部镜来实现。在另一个实施例中，一个或几个附加的偏转元件设置在外部镜与每个VECSEL的增益介质之间，从而实现以相同方式相干耦合。
本发明的这些和其他方面根据下面描述的实施例而变得清楚并且将参照这些实施例而被阐明。
附图说明
下面将参照附图，不限制如权利要求中定义的保护范围，通过实例的方式来描述所提出的激光传感器。在附图中，
图1是所提出的激光传感器的第一实施例的示意图；
图2是所提出的激光传感器的第二实施例的示意图；
图3是所提出的激光传感器的第三实施例的示意图；
图4是所提出的激光传感器的第四实施例的示意图；
图5是示出所提出的激光传感器的第五实施例的一部分的示意图；以及
图6是所提出的激光传感器的第六实施例的示意图。
具体实施方式
在所提出的激光传感器的如下实例中，VECSEL由VCSEL层结构15组成，该VCSEL层结构15由嵌入在两个分布布拉格反射器（DBR）2、4之间的电泵浦的增益介质3（嵌入在GaAs中的InGaAs量子阱）形成，这两个分布布拉格反射器形成该激光器的内腔。下DBR 4对于激射波长具有高反射性（反射率优选地>99.5%），而上DBR 2具有较小的反射率，从而允许来自外腔的反馈。所述DBR中的一个是p掺杂的而另一个是n掺杂的，从而允许高效的电流馈送到增益区域中。在该实例中，具有较高反射率的下DBR 4是p掺杂的，上DBR 2是n掺杂的。然而，原则上，相反顺序的掺杂也是可行的。
用于电流注入增益介质3中的操作电流由合适的电源10提供，在图1的所提出的激光传感器的实施例中，该电源10连接到传感器控制单元12或者包括这样的控制单元12用于及时调制注入电流。利用该电流调制实现所发射的激光辐射7的频移，以便获得期望的距离或速度信息。所注入的电荷载流子的变化导致增益介质3的折射率的变化，进而还导致光腔长度D的变化。纵腔模的中心波长λc由下式给出：
Figure 2014100874706100002DEST_PATH_IMAGE010
，
其中m是相应模的阶数（order）。因此，光腔长度的增加也使得给定的纵模的发射波长增加。可以实现大约Δλc≈0.5nm的典型波长偏移。如果必要，可以通过引入如图2-4所示的其他措施（measure）来大幅延长该距离。
在图1所示的实施例中，合适的电流形状经由n-DBR和p-DBR电接触（图中未示出）而馈送入增益区域。附接到下DBR 4的后侧的光电探测器6测量从高反射性p-DBR镜4泄漏的少量辐射，并且因此监测来自目标物体（图中未示出）的向后散射的光8对激光的影响，可以从该激光提取关于目标物体的距离或速度的信息。VCSEL层结构15生长在合适的光学透明衬底1上。该衬底上的这样的层结构可以通过用于VCSEL芯片的低成本生产工艺来生产。因此，光电探测器6被附接到这样的芯片的后侧。
外腔由如图1所示在上DBR 2之上的适当距离处放置并调节的激光镜5形成。该激光镜5可以例如由金属或电介质涂敷的镜或由具有适当IR反射特性的窄带体布拉格光栅（VBG）形成。所述增益介质以不允许内腔系统超过激光阈值但是要求外腔即外部镜5的反馈以实现激射的水平被电泵浦。这样一来，所发射的激光辐射7的特性由外腔而不是由VCSEL芯片上的短内腔确定。因此，与纯粹的基于VCSEL的传感器相比增强了模质量，所发射的激光辐射7的发散角也减小了。因此，所述激光器可以更好地聚焦在目标物体上，并且感测应用所要求的进入激光腔的反馈8（来自目标物体的向后散射的辐射）得以改进。
VCSEL与基于VECSEL的SMI传感器之间存在一个重要差异。在腔长度小的基于VCSEL的激光传感器中，自由光谱范围通常大于半导体增益介质的带宽。因此，仅仅发射一个具有大线宽的纵腔模。在具有大约1cm的数量级的外腔尺寸的VECSEL中，情况不再是这样的。这里，生成了大量的纵腔模。然而，当总体上评价发射和向后反射时的激光频率差时，所述传感器原理仍然起作用。然而，对于所有纵模来说频移是相同的，其合计为累积的信号。因此，如果仅仅影响少量的纵模，则频率扫描期间的模跳变也是可容忍的。
来自目标物体的向后散射的激光辐射8影响由光电探测器6感测的所发射的激光辐射7的波长。为了评价该测量信号，光电探测器6连接到合适的评价单元9，该评价单元9与传感器控制单元12通信并且基于该频率变化计算目标物体的期望速度或距离。
在恒定操作电流的情况下并且如果感兴趣的物体在激光器轴的方向上以恒定速度v运动，来自该物体的向后散射的光与原始频率相比具有小的频率差Δf，该频率差称为多普勒频移（Doppler shift）（c是光速）
Figure 2014100874706100002DEST_PATH_IMAGE012
如果该向后散射的光与激光腔内部的光混合，则在激光二极管的功率输出上由传感器观测到与Δf成比例的拍频。该方法应用于测量物体的速度，因为该拍频与速度v成比例。
在调制的操作电流的情况下，也可以探测非运动物体的距离：如前所述，改变的电流导致改变的频率
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，其中α是单位时间的频率变化（可以通过选择适当的操作方式使得其为线性的）。在这种情况下，向后散射的光的频率与腔内的实际频率相差
Figure DEST_PATH_IMAGE016
其中τ是往返时间，并且因此其与行进距离d成比例。输出功率中的拍频被再次观测到，现在其与物体的距离成比例。
图2示出所提出的激光传感器的第二实施例，该激光传感器允许VECSEL的大幅扩大的波长偏移。与图1所示的实施例相比，该激光传感器允许外部激光镜5在由黑色箭头所指示的方向上进行几何运动。该外部激光镜5安装在由所述传感器的传感器控制单元12控制的压电致动器11上。使用该压电致动器11可以移动外部镜5，以便调制VECSEL的光学谐振器长度。
可以容易地计算针对几何移动ΔD的波长偏移Δλc：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
考虑到中心波长λc与纵腔模的阶数m和腔长度D的依存性，可以计算基于VECSEL的SMI传感器的纵模阶数m。从VECSEL的典型值，例如λc≈1μm且D≈1cm，得出典型的模阶数为m≈20000。因此对于所需的Δλc≈0.5nm的波长扫描，外部镜5的位移ΔD≈5μm是必需的，这可以容易地获得。因此还可以容易地获得更大的扫描距离。仅仅必须运动扫描的外部腔镜5的质量（mass）会限制扫描频率。作为等价解决方案，可以将VCSEL芯片安装在压电致动器上并使之运动，同时外部镜5保持固定。
图3示出另一个实施例，其中经由法布里-珀罗干涉计13实现波长扫描。该法布里-珀罗干涉计13设置在外部激光镜5与VCSEL层结构15之间。在该实施例中，通过法布里-珀罗干涉计13的两个光学透明平行板的两个高反射性表面（HR）之间的距离d来控制激光辐射7的发射波长。这些板中的一个可以被固定，而另一个被安装在压电元件（图中未示出）上。通过与传感器控制单元通信的合适的电子器件来控制或扫描这两个板之间的距离。为了避免高反射性表面将激光辐射直接向后反射到增益区域内以及进而该器件的不想要的激射而不受外部镜5的影响，法布里-珀罗干涉计13优选地以小角度旋转，使得光谐振器轴不垂直于法布里-珀罗干涉计13的光学表面。为了使得外腔内的附加损耗最小化，所述光学透明板的外侧可以装配有抗反射涂层（AR）。
在图4所示的实施例中，可以用放置在外腔内的标准具14实现相似的频率选择和扫描功能。如由黑色箭头示意性指示，通过标准具14的受控旋转实现VECSEL的频率扫描。可以使用用于该标准具的适当的致动器实现标准具14的这个旋转或倾斜，这个致动器可以经由传感器控制单元（图中未示出）来控制。
从上述附图已经显而易见，在不同的附图中，相同的附图标记指示激光传感器的相同部件。因此，将仅仅针对这些附图中的一个来解释这些同样的部件。然而，所述解释适用于所有附图。
对于一些应用来说，增加传感器的输出激光功率可能是必需的或至少是有益的。增加的输出激光功率覆盖了所述激光传感器的更宽的应用范围。可以通过使用VECSEL阵列来获得这个增加的输出激光功率，在该阵列中单个元件被相干地耦合至高功率激光器。例如可以通过将VECSEL的少量激光辐射偏转到一个或几个相邻VECSEL的外腔中，来实现所述单个器件之间的耦合，使得该偏转的部分穿过所述一个或几个相邻VECSEL的增益介质，同时所述光的主要部分保持在腔内。可以例如通过如图5中描绘的实施例中所示的外部激光镜5的特别成形部分来控制少量光耦合进入相邻激光二极管。图5仅仅示出具有两个相邻VECSEL的这样的激光传感器的一部分。VCSEL层结构15设置在公共载体或衬底1上。从该图中可以看出，外部镜5的特别成形部分16设计成使得落在整个激光镜5上的少量光18被引导到相邻VCSEL层结构15之一的表面上。所述特别成形部分16在下面也被称为小耦合镜，其反射方向按下述方式来选择：VECSEL阵列的所有元件耦合在一起并且发射激光，所述激光在所有器件中是相干的。
为了简单的制造/装配，激光镜5可以由如图5中所示的激光镜阵列17形成。
图6示出所提出的激光传感器的另一个实施例，该激光传感器具有与图1的激光传感器相似的构造。图6的激光传感器仅仅在VCSEL层结构15生长在其上的光学透明衬底1的设置方面不同于图1的激光传感器。在图6所示的实施例中，该衬底1设置在下DBR 4与光电探测器6之间的延长的腔的外部。在另一个实施例中，衬底1在所述延长的腔外部，光电探测器6可以设置在下DBR 4与衬底1之间。在后一种情况下，衬底1也可以是不透明的。
所提出的激光传感器适合用于通过使用自混合干涉测量术来测量距离、速度或振动的所有感测应用。这样的应用的实例是例如在汽车应用、在国土安全（homeland security）或在人机接口指点设备中的运动探测、位置探测和速度传感器。
已经在附图和前面的说明书中详细地示出并描述了本发明。然而，本发明不限于所公开的实施例。上文所述和权利要求中的不同实施例也可以进行组合。本领域的技术人员在实践要求保护的本发明时，通过研究附图、公开和所附权利要求书能够理解并实现所公开的实施例的其他变形。例如，每个激光镜也可以形成不止一个小耦合镜，其将指定的VECSEL二极管的辐射耦合到几个相邻的二极管。而且，在附图所示的VECSEL中，具有较低反射率的上DBR也可以省略。
在权利要求中，动词“包括”及其变化形式的使用不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述一些措施这个起码的事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制这些权利要求的范围。
附图标记列表
1       衬底
2       上DBR
3       增益介质
4       下DBR
5       外部镜
6       光电探测器
7       发射的激光辐射
8       向后散射的激光辐射
9       评价单元
10     电源
11     压电致动器
12     传感器控制单元
13     法布里-珀罗干涉计
14     标准具
15     VCSEL层结构
16     激光镜的成形部分
17     激光镜阵列
18  激光的偏转部分

Claims (13)

1. 一种用于自混合干涉测量术的激光传感器，包括：
至少一个发射激光辐射的半导体激光光源和至少一个监测该激光光源的激光辐射的光电探测器（6），
其中所述激光光源是具有在第一端镜（4）的前侧上布置成层结构（15）的增益介质（3）的垂直外腔表面发射激光器，所述第一端镜（4）与外部第二端镜（5）形成外腔，所述激光传感器还配置成使激射仅仅在第一和第二端镜之间发生，并且
其中所述激光光源的干涉长度取决于形成外腔的所述第一端镜（4）与外部第二端镜（5）之间的距离。
2. 根据权利要求1的激光传感器，
其中所述增益介质（3）夹在所述层结构（15）中的两个分布布拉格反射器（2，4）之间，所述分布布拉格反射器中的外部的一个对于激射波长具有比内部分布布拉格反射器更高的反射率并且形成所述外腔的所述第一端镜（4）。
3. 根据权利要求2的激光传感器，
其中所述层结构（15）形成在所述外腔内部的光学透明衬底（1）上。
4. 根据权利要求2的激光传感器，
其中所述层结构（15）形成在所述外腔外部的衬底（1）上。
5. 根据权利要求1的激光传感器，
其中所述光电探测器（6）设置在所述第一端镜（4）的后侧上。
6. 根据权利要求1的激光传感器，
进一步包括用于调制所述垂直外腔表面发射激光器的操作电流的控制单元（12）。
7. 根据权利要求1的激光传感器，
其中所述外部第二端镜（5）或包括所述第一端镜（4）的所述层结构（15）安装在位移单元（11）上，所述位移单元（11）由控制单元（12）控制，从而移动所述外部第二端镜（5）或所述第一端镜（4）用于及时调制所述外腔的光腔长度。
8. 根据权利要求1的激光传感器，
其中波长调谐单元设置在所述外部镜（5）与所述增益介质（3）之间，所述波长调谐单元由控制单元（12）控制以用于调制由所述垂直外腔表面发射激光器发射的激光辐射的中心波长。
9. 根据权利要求8的激光传感器，
其中所述波长调谐单元包括由致动器驱动的法布里-珀罗干涉计（13）。
10. 根据权利要求8的激光传感器，
其中所述波长调谐单元包括可由致动器倾斜或旋转的标准具（14）。
11. 根据权利要求1的激光传感器，
其中所述光电探测器（6）连接到评价单元（9），所述评价单元（9）设计成根据所述光电探测器（6）的测量信号计算距离和/或速度。
12. 根据权利要求1的激光传感器，
其中几个具有相应光电探测器（6）的垂直外腔表面发射激光器并排地设置并且形成一维或二维阵列，所述垂直外腔表面发射激光器相干地耦合。
13. 根据权利要求12的激光传感器，
其中所述几个垂直外腔表面发射激光器中至少一个的所述外部镜（5）设计成将在所述外腔中谐振的所述激光辐射的一部分偏转，从而穿过一个或几个相邻的垂直外腔表面发射激光器的所述增益介质（3）。
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