CN107272217A - 智能车用相干检测激光雷达小型光源及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种智能车用相干检测激光雷达小型光源及其制备方法，包括由端面分别镀有增透膜和高反膜的半导体激光二极管、混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件；激光二极管输出光端面与混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面组成谐振腔；激光二极管发出相干光束，经过该光学元件准直成为平行光作为入射光并对入射光进行选模，使该光学元件的衍射光与入射光共线反向，衍射光全部或部分沿原路返回到二极管，返回到激光二极管的那部分衍射光在谐振腔中振荡、放大，经该光学元件反射的反射光直接输出为输出激光；另一部分衍射光直接输出为输出激光。本发明可作为相干激光雷达系统中的核心光器件并实现批量生产。

Description

智能车用相干检测激光雷达小型光源及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术，尤其涉及一种智能车用相干检测激光雷达小型光源及其制备方法。
背景技术
半导体激光器的迅速发展,使相干激光雷达已有许多实际应用,包括风速测量,污染探测以及目标的跟踪、测距和成像等。但其测量精度却因目前缺乏窄线宽(50kHz量级)的激光光源而存在局限性。由于相干激光雷达对激光器的线宽要求较高，窄线宽半导体激光器作为相干激光雷达中的核心光器件之一显得尤为重要。
目前国际上常用的半导体激光器，主要为光栅外腔激光器和干涉滤光片外腔激光器以及光纤光栅外腔激光器。这类激光器存在易受机械振动、高低的影响，会有跳模现象且激光线宽较宽等缺陷。这些缺陷严重影响了相干激光雷达测距测速的精度。如何研制出小型集成化、低成本、窄线宽(50kHz量级)的激光光源，以提高智能车用车载相干激光雷达测距测速的范围和精度，切实推动自动驾驶，无人驾驶技术，成为国民经济、社会发展和科学研究关注的热点问题和面临的巨大挑战。
一般的半导体激光器线宽只达到MHz量级水平，尽管国际上出现了各种压窄激光线宽的技术，如利用DBR、DFB、光栅和干涉滤光片研制的外腔半导体激光器，但其线宽最好指标也只是处于百kHz量级，想要突破瓶颈，使激光线宽小于50kHz水平同时实现小型集成化一直是一个是国际技术难题。
外腔半导体激光器具有线宽窄，波长稳定性和可控性好等优点。为了使半导体激光器输出频率稳定的激光，必须保证激光器单一模式输出。激光器外腔指的是半导体激光二极管输出光端面与光学反馈元件所构成的谐振腔，光栅外腔半导体激光器正是光栅作为光反馈元件实现外部反馈的一种外腔半导体激光器。由于外腔长度远大于内腔，在外腔中不同激光模式经过模式竞争实现单一模式输出，半导体激光器线宽即被大大压窄。
通常使用的Littrow结构光栅外腔半导体激光器由激光二极管、准直透镜、光栅三个部分构成，如图1所示。激光二极管出射光经过准直透镜后变成平行光入射到光栅，调节光栅的角度即改变入射光到光栅的角度，使光栅的输出光只有0级和+1级光，其中+1级光沿原路反馈回激光二极管形成外腔振荡，0级光即激光器输出激光。这种类型激光器至少包括三个元件，由于其连续可调谐且没有集成固化，对外界抗干扰性能差，激光线宽等条件无法满足智能车用相干检测激光雷达小型光源的应用条件。
有鉴于此，本发明提供一种结构独特的智能车用相干检测激光雷达小型光源及其制备方法，在国际上首次应用兼具准直和选频功能的混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件来实现一种小型集成化、窄线宽的半导体激光器。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种智能车用相干检测激光雷达小型光源及其制备方法，结合混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件外腔技术，在国际上首次利用这种创新型结构同时实现光束准直和选频功能，主要集成应用在智能车用相干测距测速激光雷达中。
本发明提供的技术方案是：
一种相干检测激光雷达小型光源，可应用在智能车用相干测距测速激光雷达中，包括一个由镀增透膜的半导体激光二极管和一个混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件；所述半导体激光二极管的输出光端面镀有增透膜，另一面镀有高反膜；所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的前表面起到准直光束的作用,后表面起到选频的作用；所述半导体激光二极管输出光端面与所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面组成激光器外部谐振腔；
所述半导体激光二极管发出相干光束，经过所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件，所述相干光束经所述菲涅尔透镜衍射光栅光学元件前表面被准直成为平行光，该平行光作为入射光，被所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的后表面选模；通过设定所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件与入射光的角度，使得所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的衍射光与入射光共线反向，所述衍射光全部或部分沿原路返回到所述半导体激光二极管；
当所述衍射光全部沿原路返回到所述半导体激光二极管时，在所述半导体激光二极管输出光端面与所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面组成的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的反射光直接输出作为输出激光；
当所述衍射光的一部分沿原路返回到所述半导体激光二极管时，在所述半导体激光二极管输出光端面与所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面组成的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，所述衍射光的另一部分则直接输出作为输出激光；同时，所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的反射光也可以直接输出作为输出激光。
针对上述相干检测激光雷达小型光源，进一步地，所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件有两种，一种为后表面镀有反射膜，另一种为后表面镀有部分反射膜。在本发明一实施例中，公开了一种智能车用相干检测激光雷达小型光源，这是一种混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件外腔半导体激光器，包括：一个由镀增透膜的半导体激光二极管(输出光端面镀有增透膜、另一面镀有高反膜)和一个混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件；所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面镀有反射膜；所述激光二极管所发出的相干光束经过所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件时，所述相干光束经所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件被前表面准直成为平行光，该平行光作为入射光，被后表面选模；通过确定所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件与入射光的角度，使得所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的衍射光与入射光共线反向，沿原路返回到半导体激光二极管，在所述半导体激光二极管输出光端面与混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面组成的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的反射光直接输出作为输出激光，从而可以大大降低激光器的线宽。通过使用上述的激光器，可实现小型集成化、低成本、高抗干扰性、窄线宽的激光输出，满足车用相干激光雷达小型光源的条件，并降低所述小型光源的生产成本。
在本发明另一实施例中，所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面镀有部分反射膜；所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的衍射光一部分反馈回激光二极管，另一部分直接输出作为输出激光；同时，所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的反射光也可以直接输出作为输出激光。
本发明还提供了相干检测激光雷达小型光源的制备方法，包括如下步骤：
1)制备得到混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件，所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件分为两种，一种是后表面镀有反射膜，另一种是后表面镀有部分反射膜；
2)制备得到镀增透膜的半导体激光二极管，所述半导体激光二极管的输出光端面镀有增透膜，另一面镀有高反膜；
3)由所述半导体激光二极管的输出光端面与所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面组成激光器外部谐振腔；
4)所述半导体激光二极管发出相干光束，经过所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件，经所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件前表面准直成为平行光；该平行光作为入射光，被所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面选模；
5)设定所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件与入射光的角度，使得所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的衍射光与入射光共线反向，所述衍射光全部或部分沿原路返回到所述半导体激光二极管；
6)当所述衍射光全部沿原路返回到所述半导体激光二极管时，在所述半导体激光二极管输出光端面与所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面组成的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的反射光直接输出，成为输出激光；当所述衍射光的一部分沿原路返回到所述半导体激光二极管时，另一部分直接输出作为输出激光；同时，所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的反射光也可以直接输出作为输出激光。
从上面所述可以看出，本发明结合镀增透膜的半导体激光二极管和混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件，实现的小型集成化、低成本、高抗干扰性、窄线宽智能车用车载相干检测激光雷达小型光源。克服了传统光栅外腔半导体激光器中，准直透镜和光栅必须分立的思想束缚，创造性的利用混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件，这种光学元件分为两种，一种是后表面镀有反射膜另一种是镀有部分反射膜，将混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件作为激光外腔并起到准直和选频的作用；通过特殊的外腔结构设计，增加腔长，进而压窄激光线宽，并可通过集成一体化设计并通过固化和密封，实现微型化的厘米长度的窄线宽相干激光光源的批量制备，解决了长期以来困扰本领域技术人员的智能车用相干检测激光雷达小型光源线宽较宽和稳定性较差的问题。为许多对激光线宽及其稳定性有较高要求的应用提供了小型集成化、低成本、高抗干扰性、窄线宽更稳定的激光器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种结构独特的智能车用相干检测激光雷达小型光源及其制备方法，在国际上首次应用兼具准直和选频功能的混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件来实现一种小型集成化、窄线宽的半导体激光器。本发明通过结合混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件(厚度小于2mm)外腔及噪声抑制和模块化封装等技术研制出小型集成化、低成本、高抗干扰性、窄线宽智能车用相干检测激光雷达小型光源。本发明中的混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件激光外腔，集透镜激光束准直、光栅选模、外腔反馈三种功能于一体，具有低成本、高可靠性、高抗干扰能力，制成的小体积(小于2cm*2cm*8cm)窄线宽(小于50kHz)激光光源，可以用于消费市场作为相干激光雷达系统中的核心光器件并实现批量生产。
附图说明
图1是现有的littrow型光栅外腔半导体激光器的原理示意图；
其中，11—激光二极管；12—准直透镜；13—光栅。
图2是本发明提供的具体实施方式一实现的相干检测激光雷达小型光源；
图3本发明提供的具体实施方式二实现的相干检测激光雷达小型光源；
图2～3中，21—激光二极管；22—混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件前表面的前焦点；23—衍射光；24—入射光；25—混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件；26—反射光；27—混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件前表面的焦平面；28—混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面的反射膜；29—混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面的部分反射膜；30—输出衍射光。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提供一种相干检测激光雷达小型光源，包括一个由镀增透膜的半导体激光二极管和一个混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件；半导体激光二极管的输出光端面镀有增透膜，另一面镀有高反膜；混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件分为两种，一种为后表面镀有反射膜，一种为后表面镀有部分反射膜；半导体激光二极管输出光端面与所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面组成激光器外部谐振腔。
图2是本发明提供的具体实施方式一。如图2所示，包括激光二极管21和混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件25。其中，激光二极管21用于输出激光光束，其在电流的作用下，当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，即对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光束。混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件25具有光束准直和选频的作用，前表面有一定的焦距，用于把激光二极管21输出的光束整形为平行光束。后表面28镀有反射膜，不会有光透过，用于对准直输出的平行光束进行选模，同时与激光二极管出射端面构成该激光器外部谐振腔。经前表面准直后输出的平行光束打到后表面上，衍射光经原路返回到激光二极管21，在后表面和激光二极管21输出端面作为腔镜的外部谐振腔内振荡放大；而混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的反射光作为实施方式一的输出激光。
图3是本发明提供的具体实施方式二。如图3所示，包括激光二极管21和混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件25。其中元件的作用与位置关系和具体实施方式一相同；不同之处在于，混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件29的后表面镀有部分反射膜，衍射光一部分反馈回激光二极管21，另一部分直接输出作为实施方式二的输出激光；同时，反射光也可以直接输出作为输出激光。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种智能车用相干检测激光雷达小型光源，包括由镀增透膜的半导体激光二极管和混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件；所述半导体激光二极管的输出光端面镀有增透膜，另一面镀有高反膜；所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件兼具光束准直和选频功能；所述半导体激光二极管输出光端面与所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面组成激光器外部谐振腔；
所述半导体激光二极管发出相干光束，经过所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件，所述相干光束经所述菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的前表面，被准直成为平行光，该平行光作为入射光，被所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的后表面选模；通过设定所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件与入射光的角度，使得所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的衍射光与入射光共线反向，所述衍射光全部或部分沿原路返回到所述半导体激光二极管；
当所述衍射光全部沿原路返回到所述半导体激光二极管时，在所述激光器外部谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的反射光直接输出作为输出激光；
当所述衍射光的一部分沿原路返回到所述半导体激光二极管时，在所述激光器外部谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，所述衍射光的另一部分则直接输出作为输出激光；同时，所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的反射光也可直接输出作为输出激光。
2.如权利要求1所述小型光源，其特征是，所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的后表面包括两种，一种为后表面镀有反射膜，另一种为后表面镀有部分反射膜。
3.一种智能车用相干检测激光雷达小型光源的制备方法，包括如下步骤：
1)制备得到混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件；
2)制备得到镀增透膜的半导体激光二极管，所述半导体激光二极管的输出光端面镀有增透膜，另一面镀有高反膜；
3)由所述半导体激光二极管的输出光端面与所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面组成激光器外部谐振腔；
4)所述半导体激光二极管发出相干光束，经过所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件，经所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件前表面准直成为平行光；该平行光作为入射光，被所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件后表面选模；
5)设定所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件与入射光的角度，使得所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的衍射光与入射光共线反向，所述衍射光全部或部分沿原路返回到所述半导体激光二极管；
6)当所述衍射光全部沿原路返回到所述半导体激光二极管时，在所述激光器外部谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的反射光直接输出，成为输出激光；当所述衍射光的一部分沿原路返回到所述半导体激光二极管时，在所述激光器外部谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，另一部分直接输出作为输出激光；同时，所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件的反射光也可直接输出作为输出激光。
4.如权利要求3所述智能车用相干检测激光雷达小型光源的制备方法，其特征是，所述混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件包括两种，一种是后表面镀有反射膜，另一种是后表面镀有部分反射膜。
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