CN105006741A - 一种基于脉冲半导体激光器的高重频光源模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲半导体激光器的高重频光源模块，属于激光雷达系统的光源模块技术领域。所述光源模块包括N(N≥4)个独立的脉冲半导体激光器、N个窄脉冲驱动电源、快轴柱透镜和慢轴柱透镜、小直角棱镜、大直角棱镜、半波片、偏振合束棱镜、聚焦透镜及多模光纤。本发明采用偏振合束方法，将N个脉冲半导体激光器的出射光束耦合进一根多模光纤，通过分时驱动N个脉冲半导体激光器发射激光束来提高光源的输出频率，或同步驱动N个半导体激光器来提高光源的峰值功率。该光源模块能量利用率高、结构紧凑、使用非常灵活，有效克服了单个半导体激光器重频低、光束质量差等缺点。

Description

一种基于脉冲半导体激光器的高重频光源模块

技术领域

本发明涉及激光雷达系统的光源模块技术领域，尤其涉及一种基于脉冲半导体激光器的高重频光源模块。

背景技术

激光雷达系统广泛应用于三维城市建模、地形勘测、大气探测、无人导航车等领域，作为一种高精度、主动式的遥感设备，激光雷达系统的探测速度和探测距离主要决定于脉冲激光器的性能指标。目前，国内外主流的激光雷达设备均采用固体激光器，其输出频率可达200KHz，峰值功率到百瓦，且具有良好的光束质量，但固体激光器具有价格昂贵、寿命短、光电转换效率低、维护困难、体积大等缺点。相比之下，价格低廉、性能稳定、体积小巧的半导体激光器则具有巨大的发展潜力，然而半导体激光器的固有谐振腔结构导致其出射光束质量不理想，存在能量不对称及快、慢轴光束发散角差异大的特点，而且半导体激光器的封装结构较为简单，且一般不安装散热措施，因而输出频率一般不超过50KHz，因此难以应用于高速、远距离探测的激光雷达系统。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提供一种基于脉冲半导体激光器的高重频光源模块，通过采用偏振合束方法，将N个独立的脉冲半导体激光器的出射光束耦合进一根多模光纤中，并按一定时序驱动半导体激光器周期性发射激光束，能够有效改善半导体激光器的光束质量，获得能量呈平顶分布的圆出射光束，增大最远可探测距离，本技术方案具有能量利用率高、结构紧凑、使用灵活等突出特点。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于脉冲半导体激光器的高重频光源模块，采用偏振合束方法将N个独立的脉冲半导体激光器的出射光束耦合进一根多模光纤中，并按一定时序驱动N个脉冲半导体激光器周期性发射激光束；其中，N≥4。

其中，所述偏振合束方法，具体为：是将N个独立的脉冲半导体激光器分为2组发射单元；第1发射单元的脉冲半导体激光器的出射光依次经过快轴柱透镜、慢轴柱透镜准直，然后经小直角棱镜反射后通过半波片，然后透射通过偏振合束棱镜；第2发射单元的脉冲半导体激光器的出射光依次经过快轴柱透镜、慢轴柱透镜准直，然后经小直角棱镜反射后，反射通过偏振合束棱镜；从偏振合束棱镜透射出来的光束和从偏振合束棱镜反射出来的光束两者经大直角棱镜反射后，通过聚焦透镜耦合进一根多模光纤中。

其中，所述第1发射单元中任意一个脉冲半导体激光器与第2发射单元中对应的脉冲半导体激光器到多模光纤的光程相等，且任意两个脉冲半导体激光器之间的光程差小于90mm。

其中，每个脉冲半导体激光器均配有独立的窄脉冲驱动电源，并通过外界驱动控制装置为窄脉冲驱动电源提供一定时序的外触发信号，用于分时驱动N个脉冲半导体激光器周期性发射激光束，或同步驱动N个脉冲半导体激光器周期性发射激光束。

本发明具有以下优点和增益效果：

1).本发明采用偏振合束方法，将N(N≥4)个独立的脉冲半导体激光器的出射光束耦合进一根多模光纤中，并按一定时序驱动半导体激光器周期性发射激光束，能够有效提高光束质量，获取能量呈平顶分布的圆出射光束，该方法具有能量利用率高、稳定性强、结构紧凑的特点；2).通过分时驱动N个脉冲半导体激光器周期性发射激光束，提高光源模块的输出频率，提升激光雷达系统的探测速度；3).通过同步驱动N个脉冲半导体激光器周期性发射激光束，提高光源模块的峰值功率，增加激光雷达系统的探测距离。

附图说明

图1基于6路脉冲半导体激光器的光源模块平面图；

图2基于6路脉冲半导体激光器的光源模块立体图；

图3脉冲半导体激光器初始光斑能量分布；

图4脉冲半导体激光器聚焦光斑能量分布；

图5多模光纤出射光能量分布；

图6重频300KHz、峰值功率60W光源模块的激光器驱动时序；

图7重频150KHz、峰值功率120W光源模块的激光器驱动时序；

图8重频50KHz、峰值功率280W光源模块的激光器驱动时序；

图中：

编号1、2、3、4、5、6为6路脉冲半导体激光器，a为窄脉冲驱动电源、b脉冲半导体激光器、c快轴柱透镜、d慢轴柱透镜、e小直角棱镜、g半波片、h偏振合束棱镜、k大直角棱镜、p聚焦透镜、q多模光纤。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的说明：

图1基于6路脉冲半导体激光器的光源模块平面图。图2基于6路脉冲半导体激光器的光源模块立体图。如图1、2所示，本发明所述的一种基于脉冲半导体激光器的高重频光源模块，采用偏振合束方法将N个独立的脉冲半导体激光器的出射光束耦合进一根多模光纤中，并按一定时序驱动N个脉冲半导体激光器周期性发射激光束；其中，N≥4。

本发明采用偏振合束方法，将N(N≥4)个独立的脉冲半导体激光器的出射光束耦合进一根多模光纤中，并按一定时序驱动半导体激光器周期性发射激光束，能够有效提高光束质量，获取能量呈平顶分布的圆出射光束，该方法具有能量利用率高、稳定性强、结构紧凑的特点。

如图1所示，在本方案中，所述光源模块包括6个独立的脉冲半导体激光器b、6个窄脉冲驱动电源a、快轴柱透镜c和慢轴柱透镜d、小直角棱镜e、大直角棱镜k、半波片g、偏振合束棱镜h、聚焦透镜p及多模光纤q。将6个脉冲半导体激光器b分为2组发射单元(编号1、2、3和编号4、5、6)，需要说明的是，编号1、2、3为第2组发射单元，编号4、5、6为第1组发射单元，采用快轴柱透镜c和慢轴柱透镜d对每个脉冲半导体激光器b进行光束准直，并采用小直角反射镜e将激光器出射光斑沿快轴方向叠加。第1发射单元的准直光经半波片g、透射通过偏振合束棱镜h；第2发射单元的准直光反射通过偏振合束棱镜，并和透射通过偏振合束棱镜h的光束经聚焦透镜p耦合进一根多模光纤q中。

所述偏振合束方法，具体为：是将N个独立的脉冲半导体激光器b分为2组发射单元；第1发射单元的脉冲半导体激光器b的出射光依次经过快轴柱透镜c、慢轴柱透镜d准直，然后经小直角棱镜e反射后通过半波片g，然后透射通过偏振合束棱镜h；第2发射单元的脉冲半导体激光器b的出射光依次经过快轴柱透镜c、慢轴柱透镜d准直，然后经小直角棱镜e反射后，反射通过偏振合束棱镜h；从偏振合束棱镜h透射出来的光束和从偏振合束棱镜h反射出来的光束两者经大直角棱镜k反射后，通过聚焦透镜p耦合进一根多模光纤q中。

下面介绍半导体激光器与光纤之间的耦合效率理论：

偏振合束方法是采用薄膜干涉型偏振合束棱镜(PBS棱镜)，由两块等腰直角棱镜胶合而成，当光束以布鲁斯特角入射时，P偏振光几乎全部透射，而S偏振光则几乎全部反射。由于半导体激光器出射光束中S偏振光分量非常高。故利用光路可逆原理，将脉冲半导体激光器分为2组发射单元，其中第1组发射单元光束经半波片调制以形成P偏振光，透射通过偏振合束棱镜，而第2组发射单元光束反射通过偏振合束棱镜，进而实现空间光合束。

为实现最佳的耦合效率和紧凑的光路结构，半导体激光器的快轴光参数积BPP_fa、慢轴光参数积BPP_sa与光纤光参数积BPP_fiber需要进行匹配。假设某型号的半导体激光器发光区尺寸为H(快轴)×L(慢轴)，光束发散角为θ_fa×θ_sa，多模光纤的芯径数值孔径NA。半导体激光器快轴光参数积BPP_fa和慢轴光参数积BPP_sa为：

BPP_fa＝H×sinθ_fa  (1)

BPP_sa＝L×sinθ_sa

实际情况中，BPP_fa小于BPP_sa，可采用n个半导体激光器在快轴方向上进行叠加：

BPP′_fa＝n×BPP_fa  (2)

光纤的光参数积BPP_fiber为：

当BPP′_fa和BPP_sa均小于BPP_fiber时，才能获得理想的耦合效率，需满足：

BPP′_fa&BPP_sa≤BPP_fiber  (4)

本实施例中采用的德国OSRAM PL90_3半导体激光器，其峰值波长为905nm，偏振度约为96％，输出频率为50KHz，脉冲宽度8ns，峰值功率为75W，发光区尺寸H×L为10μm(快轴)×200μm(慢轴)，光束发散半角为25°×7°；选用的多模光纤参数为芯径Φ200μm，数值孔径NA0.22。

根据公式(1)至(4)：

半导体激光器快轴BPP_fa＝0.01×sin25°＝0.0042；

半导体激光器慢轴BPP_sa＝0.2×sin7°＝0.02；

考虑到光纤的端面损耗和弯曲损耗，实际光纤BPP_fiber＝0.2×0.22/2＝0.022。该数值略大于BPP_sa，且远大于BPP_fa，理论上可实现极佳的耦合效率，且快轴方向上存在较大富余，因此可将激光器沿快轴方向进行叠加。

考虑到半导体激光器的封装结构、装调精度和机械尺寸，快轴柱透镜焦距的选择范围一般为5mm～15mm，这里选择美国THORLABS AYL-108非球面柱透镜，参数为焦距f₁为8mm，数值孔径NA0.5。准直后，快轴方向上的发散半角ε＝sin^-1(0.005/8)＝0.036°，光斑宽度d＝2×8×sin25°＝6.8mm。将半导体激光器在快轴方向上以7mm间距排列，激光器数量n需满足dnsinε≤BPP_fiber，解得n≤5。由于快轴柱透镜焦距较短，一般需留有较大的公差余量，这里n取3。

当光学系统像差较小时，可认为通过光学系统前后光束的光参数积保持不变。此时，快轴方向上叠加后的光束BPP′_fa＝0.013，慢轴方向上光束BPP_sa＝0.02，均小于光纤BPP_fiber＝0.022，仍可实现较高的耦合效率。

多模光纤的接收端面通常为圆形，具有高度对称性，准直后的入射光斑也应尽可能保证快、慢轴对称，才能实现最大耦合效率。3个半导体激光器在快轴方向叠加后的光斑宽度约为3×7＝21mm，因此准直后的慢轴方向的光斑宽度同取为21mm，则慢轴柱透镜的焦距f₂＝21/2/sin7°＝86.1mm。这里我们选用慢轴柱透镜的焦距f₂为80mm，数值孔径NA＝sin7°＝0.12。

经快、慢轴准直后的光束宽度为21mm×21mm，则905nm半波片、偏振合束棱镜、聚焦透镜的孔径均定为24mm，其聚焦透镜的焦距f₃需匹配光纤数值孔径，f₃＝24/2/0.22＝54.5mm。这里我们选用非球面聚焦透镜，焦距f₂为50mm，数值孔径NA为0.23。

如图1所示，所述第1发射单元中任意一个脉冲半导体激光器与第2发射单元中对应的脉冲半导体激光器到多模光纤的光程相等，且任意两个脉冲半导体激光器之间的光程差小于90mm。为此本发明在光路设计时，特意使得第1发射单元中任意一个半导体激光器与第2发射单元中对应的半导体激光器到多模光纤的光程相等，且任意两个半导体激光器之间的光程小于90mm。正如图1中所示，编号1和编号4两个半导体激光器的光程相等，其光路用线“—”表示；编号2和编号5半导体激光器的光程相等，其光路用线“-.-”表示；编号3和编号6半导体激光器的光程相等，其光路用线“--”表示。同时，编号1、2、3、4、5、6中任意2个半导体激光器之间的光程差小于90mm，该光程差对应的时间延迟为0.3ns，相比于激光束8ns的脉冲宽度可近似忽略。

如图1所示，每个脉冲半导体激光器均配有独立的窄脉冲驱动电源，并通过外界驱动控制装置为窄脉冲驱动电源提供一定时序的外触发信号，用于分时驱动N个脉冲半导体激光器周期性发射激光束，或同步驱动N个脉冲半导体激光器周期性发射激光束。本发明中每个脉冲半导体激光器均配置有独立的窄脉宽驱动电源，通过FPGA、DSP或单片机等提供一定时序的外触发TTL信号来驱动。

为了实现耦合效率最大化，在整个光纤耦合过程中，需要使用光束质量分析仪对激光束光斑进行实时观测，便于调节光学元件的安置位置。图3为半导体激光器初始光斑能量分布，图4为半导体激光器聚焦光斑能量分布，图5多模光纤出射光能量分布。对比可见，不同于半导体激光器初始光斑能量分布，多模光纤端输出光斑的轮廓呈圆形、且能量分布非常均匀。经实验测试，本光源模块中每个半导体激光器的耦合效率均达到80％以上，即多模光纤出射端光束的峰值功率可达到60W。

在实际使用中，既可以通过分时驱动半导体激光器发射激光束，以提高光源模块的输出频率，提升激光雷达系统的探测速度；也可以同步驱动多个半导体激光器发射激光束，以提高光源模块的峰值功率，增大激光雷达系统的探测距离。在上述的光路结构下，本发明可以通过分时驱动6个输出频率为50KHz的脉冲半导体激光器周期性发射激光束来提高光源模块的输出频率，图6为重频300KHz、峰值功率60W光源模块的激光器驱动时序。图7为重频150KHz、峰值功率120W的激光器驱动时序，即当同步驱动编号1和4、编号2和5、编号3和6具备等光程条件的三组半导体激光器周期性发射激光束时，可在发射激光束脉宽不变化的前提下，获取输出频率为150KHz、2倍峰值功率的光源模块。图8为重频50KHz、峰值功率280W的激光器驱动时序，即同步驱动6个半导体激光器周期性发射激光束时，在光束脉冲宽度理论展宽0.3ns时，可获取输出频率50KHz，近6倍峰值功率的光源模块。

目前，国内外研究的基于半导体激光器的光源模块均是工作于连续模式，主要用于焊接、材料加工等工业领域，而本发明提出的光源模块将工作于脉冲模式、主要应用于测绘、无人车自助导航、数字城市等高新技术领域，具有国际领先地位。本发明是受中央高校基本科研业务费专项资金资助。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施例方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于脉冲半导体激光器的高重频光源模块，其特征在于，采用偏振合束方法将N个独立的脉冲半导体激光器的出射光束耦合进一根多模光纤中， 并按一定时序驱动N个脉冲半导体激光器周期性发射激光束；其中，N≥4。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲半导体激光器的高重频光源模块，其特征在于，所述偏振合束方法，具体为：是将N个独立的脉冲半导体激光器分为2组发射单元；第1发射单元的脉冲半导体激光器的出射光依次经过快轴柱透镜、慢轴柱透镜准直，然后经小直角棱镜反射后通过半波片，然后透射通过偏振合束棱镜；第2发射单元的脉冲半导体激光器的出射光依次经过快轴柱透镜、慢轴柱透镜准直，然后经小直角棱镜反射后，反射通过偏振合束棱镜；从偏振合束棱镜透射出来的光束和从偏振合束棱镜反射出来的光束两者经大直角棱镜反射后，通过聚焦透镜耦合进一根多模光纤中。

3.根据权利要求2所述的一种基于脉冲半导体激光器的高重频光源模块，其特征在于，所述第1发射单元中任意一个脉冲半导体激光器与第2发射单元中对应的脉冲半导体激光器到多模光纤的光程相等，且任意两个脉冲半导体激光器之间的光程差小于90mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于脉冲半导体激光器的高重频光源模块，其特征在于，每个脉冲半导体激光器均配有独立的窄脉冲驱动电源，并通过外界驱动控制装置为窄脉冲驱动电源提供一定时序的外触发信号，用于分时驱动N个脉冲半导体激光器周期性发射激光束，或同步驱动N个脉冲半导体激光器周期性发射激光束。