CN107346062A - 一种二极管激光器光束准直的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光技术应用领域，提供一种二极管激光器光束准直的方法。二极管激光器发出的激光光束依次经过凸柱面透镜、凹柱面透镜、凸透镜准直后发射到大气中；沿着快轴方向的激光光束首先经过凸柱面透镜，被准直成平行光；经过凹柱面透镜，使快轴方向的光束再次变为发散的；输出激光光束的快轴发散角与凸透镜的接收角匹配，极大地提高了快轴激光光束的耦合效率；沿着慢轴方向的激光光束的大小和发散角并没有任何变化。将快轴垂直于Scheimpflug平面放置，慢轴平行于Scheimpflug平面放置，最终快轴和慢轴激光光束由凸透镜准直后发射到大气中。本技术方案在实现同样的SLidar系统性能的条件下，提高了发射光束耦合效率。

Description

一种二极管激光器光束准直的方法
技术领域
本发明属于激光技术应用技术领域，提供了一种二极管激光器光束准直的方法。
背景技术
激光雷达(Light Detection and Ranging，Lidar)技术是一种主动式光学遥感探测技术，其在高度/空间分辨率、探测灵敏度、抗干扰能力、以及实时监测等方面具有独特的优势。激光雷达技术已经广泛地应用于大气气溶胶分布监测，大气污染气体以及温室气体浓度分布测量，中高层大气温度场以及风场测量等诸多方面。目前，传统的脉冲式激光雷达在国内外应用最为广泛。脉冲式激光雷达技术的硬件原理是向大气中发射纳秒量级的脉冲光并以时间分辨的方式探测其后向散射光的强度，从而实现了不同距离上大气回波信号的探测。然而，脉冲式气溶胶激光雷达系统的设计和维护成本却居高不下。这主要是由于两方面的原因：其一，是该技术需要的高性能纳秒量级脉冲光源如Nd:YAG激光器等，不仅成本高而且维护费用不菲；其二，是由于激光雷达信号与距离的平方成反比，系统对动态范围的要求非常高，不仅需要高灵敏探测器如光电倍增管等，而且需要高速模拟采样以及单光子计数技术等复杂的信号采样技术。
2014年，瑞典隆德大学提出一种基于Scheimpflug原理的新型连续光激光雷达技术(Scheimpflug Lidar，SLidar)。SLidar技术通过对发射到大气中的激光光束在满足Scheimpflug原理的条件下进行成像，以角度分辨而非飞行时间分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号。基于该原理，SLidar技术可以使用大功率连续光光源(如二极管激光器)，以及CCD/CMOS传感器作为探测器，从而有效地克服了传统脉冲激光雷达技术在光源和光电检测方面系统复杂的困难，解决了三波长甚至更多波长激光雷达系统集成方面的难题，极大地降低了系统的结构和成本。
根据SLidar技术的原理，发射到大气中的激光光束的大小和发散角在光学布局的横截面平面应该最小，从而实现最好的距离分辨率。在SLidar技术中所使用的高功率激光二极管的发射截面一般具备矩形结构：快轴为1μm，慢轴为20-1000μm。此外，激光光束的发散角很大，且快轴的发散角比慢轴要大得多，甚至达到2-4倍。依据几何光学的基本原理，任何几何光学系统都无法改变光束尺寸和发散角的乘积。虽然采用大焦比的光学系统可以减小光斑尺寸和发散角，但同时也会面临降低发射光束的耦合效率从而导致探测信号的信噪比下降的问题。因此，如何在实现最小发散角和最小光斑尺寸的情况下同时实现最大的发射光束耦合效率成为SLidar技术的重大挑战之一。
在先技术[1](Liang Mei,et.al.,“Atmospheric extinction coefficientretrieval and validation for the single-band Mie-scattering Scheimpflug lidartechnique”,Optics Express,2017,25(16),A628-A638)中，一个具备长焦距(600mm)和大焦比(F6)的折射望远镜被用来准直激光光束。所使用的808nm激光二极管的发散角较小：快轴8°×慢轴6°，发射截面大小是快轴1μm×慢轴230μm。通过将快轴置于光学系统平面上，在实现90％以上的发射光束耦合效率的基础上，将发射光束的光斑尺寸和发散角控制在最小范围(近距离100mm，发散角约为0.08mrad)。但是，大多数二极管激光器的发散角要远大于808nm二极管激光器。比如，405nm二极管激光器有着典型的较大的光束发散角，大约为：慢轴13°×快轴45°。如果使用F6透镜对激光光束发射进行准直，将会极大地截止激光光束，大大减小功率传输效率。因此，该技术方案将会极大地降低其他波长的SLidar系统发射光束耦合效率，进而影响系统的信噪比，并不具备普适性。虽然增加透镜的口径可以提高功率传输效率，但是也使得激光光束的大小也增加了，这将使SLidar技术的距离分辨率变得糟糕。
在先技术[2](费冰,王悠子,刘涛,孙建,王巍,杜妍,段庸,崔庆丰.大功率半导体激光束变发散角整形系统设计方法[J].激光与光电子学进展,2012,(07):112-116.)中，提出了实现大功率半导体激光束改变发散角的设计方法。由于高功率二极管激光器的两个正交方向的光束质量以及发散角差别很大，为了使光束发散角被压缩到同一角度，并且随着发散角的改变保持相同角度的变化，分别采用两个柱面透镜来压缩光束发散角，并且实现对光束发散角的改变。该方法设计的平面椭圆柱面透镜，由平凸柱面透镜垂直放置组成的整形系统，将发散角为40°×10°，发光面为1μm×100μm的典型高功率二极管激光束变换为发散角0.1°～0.5°连续可变的激光束，而且结构简单，元件可加工。虽然该技术可以将大功率半导体激光器的发散角变小，但一方面难以实现SLidar技术所要求的技术指标，另一方面也不能实现同时控制发射光斑大小以及发散角，因此该技术的设计方案并不能应用于SLidar技术。
发明内容
本发明提供一种二极管激光器光束准直的方法，通过对激光光束进行整形，在保证系统距离分辨率不受影响的条件下，可以将大多数高功率二极管激光器的发散角变小，从而有效地提高了激光光束的传输效率。
本发明的技术方案：
一种二极管激光器光束准直的方法，该方法所用的装置包括二极管激光器1、凸柱面透镜4、凹柱面透镜5和凸透镜7，四者的布局和尺寸要求如下：
fb1为凸柱面透镜4的后平面到其焦点的距离，也是凸柱面透镜4的后平面到二极管激光器1发射截面的距离；fb2为凹柱面透镜5的后平面到其焦点的距离，也是凹柱面透镜5的平面到二极管激光器1发射截面的距离；d1为凸柱面透镜4的后平面到凹柱面透镜5的后平面的距离；f为凸透镜7的焦距，即凸透镜7到二极管激光器1发射截面的距离；d2为凸透镜7到凹柱面透镜5的后平面的距离；同时满足fb2-fb1＝d1和d2＝f-fb2；
凸柱面透镜4的口径2r3比二极管激光器1在快轴方向上的激光光束在fb1处的光斑尺寸大，此光斑指的是激光光束的半高全宽；凹柱面透镜5的口径2r4比激光光束经过凸柱面透镜4准直后发射到凹面透镜5的光斑尺寸大；凸柱面透镜4的口径等于激光光束发射到凹柱面透镜5的光斑尺寸；
在激光光束的快轴方向上，凸柱面透镜4、凹柱面透镜5和凸透镜7三者在同一个焦点，并保证输出激光光束快轴的发散角与凸透镜7的接收角匹配，即2r1/fb2＝2r2/f；2r1为激光光束发射到凹柱面透镜5的光斑的尺寸，2r2为凸透镜7的口径；在激光光束慢轴方向上，激光光束在经过凸柱面透镜4、凹柱面透镜5时，发散角并不会发生变化；
二极管激光器1发出的激光光束依次经过凸柱面透镜4、凹柱面透镜5和凸透镜7准直后发射到大气中；沿着快轴方向的激光光束首先经过凸柱面透镜4，被准直成平行光；然后经过凹柱面透镜5，使得快轴方向的光束再次变为发散；此时输出激光光束的快轴发散角与凸透镜的接收角匹配，从而极大地提高了快轴激光束的耦合效率。
本发明的有益效果：本发明二极管激光器光束准直的装置和方法，采用一组凹凸柱面透镜对二极管激光器的光束进行整形，使得激光光束快轴的发散角显著变小并与凸透镜接受角匹配，而慢轴不发生变化，最终快轴和慢轴光束由凸透镜准直后发射到大气中。通过将慢轴置于Scheimpflug平面，在保证SLidar系统性能不变的条件下，使得激光功率传输效率显著提高。
附图说明
图1是在激光光束快轴方向二极管激光器、凸柱面透镜、凹柱面透镜、凸透镜需要满足的几何平面关系图。
图2是激光光束在慢轴方向的传播示意图。
图3是激光整形及发射装置、激光接收装置和图像传感器三者之间需满足的几何关系平面图，也即SLidar技术原理示意图。
图中：1二极管激光器；2整形后的发散角；3整形前的发散角；
4凸柱面透镜；5凹柱面透镜；6激光光束传输方向；7凸透镜。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例
A、在不加整形装置之前，激光光束快轴的发散角为3；整形之后，激光光束快轴的发散角为2。
B、fb1为凸柱面透镜4的后平面到其焦点的距离，也是凸柱面透镜4的后平面到二极管激光器1发射截面的距离；fb2为凹柱面透镜5的后平面到其焦点的距离，也是凹柱面透镜5的平面到二极管激光器1发射截面的距离；d1为凸柱面透镜4的后平面到凹柱面透镜5的后平面的距离，三者满足fb2-fb1＝d1(焦点的位置默认为二极管激光器1发射截面)。
C、f是凸透镜7的焦距，即凸透镜7到二极管激光器1发射截面的距离，d2为凸透镜7到凹柱面透镜5的后平面的距离，满足d2＝f-fb2。
D、凸柱面透镜4的口径2r3比二极管激光器1在快轴方向上的激光光束在fb1处的光斑尺寸大，此光斑指的是激光光束的半高全宽。
E、凹柱面透镜5的口径2r4比激光光束经过凸柱面透镜4准直后发射到凹面透镜5的光斑尺寸大，即2r4>2r1；凸柱面透镜4的口径等于激光光束发射到凹柱面透镜5的光斑尺寸，即2r3＝2r1；故凹柱面透镜5的口径2r4大于凸柱面透镜4的口径，即2r4>2r3；
F、在激光光束快轴方向上，在满足步骤B、C、D、E条件下，凸柱面透镜4、凹柱面透镜5和凸透镜7三者要在同一个焦点(即二极管激光器1发射截面)，并保证输出激光光束快轴的发散角与凸透镜7的接收角匹配，即r1/fb2＝r2/f；在激光光束慢轴方向上，激光在经过凸柱面透镜4、凹柱面透镜5时，发散角并不会发生变化。
二极管激光器1发出的激光光束依次经过凸柱面透镜4、凹柱面透镜5和凸透镜7准直后发射到大气中；沿着快轴方向的激光光束首先经过凸柱面透镜4，被准直成平行光；然后经过凹柱面透镜5，使得快轴方向的光束再次变为发散；此时输出激光光束的快轴发散角与凸透镜7的接收角匹配，从而极大地提高了快轴激光束的耦合效率。
虽然沿着快轴方向的激光光束的发散角显著变小，但等效光斑尺寸变大。另一方面，沿着慢轴方向的激光光束的大小和发散角并没有任何变化。此时，将快轴垂直于Scheimpflug平面放置，慢轴平行于Scheimpflug平面放置，最终快轴和慢轴激光光束由凸透镜7准直后发射到大气中(该平面如图3所示)。由于在仅由凸透镜7对二极管激光器1光束进行准直时，快轴和慢轴的激光光束尺寸和发散角几乎一样。因此，与仅有凸透镜7进行激光光束准直的情况相比，本技术方案在实现同样的SLidar系统性能的条件下，提高了发射光束耦合效率。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种二极管激光器光束准直的方法，其特征在于，该方法所用的装置包括二极管激光器(1)、凸柱面透镜(4)、凹柱面透镜(5)和凸透镜(7)，四者的布局和尺寸要求如下：
fb1为凸柱面透镜(4)的后平面到其焦点的距离，也是凸柱面透镜(4)的后平面到二极管激光器(1)发射截面的距离；fb2为凹柱面透镜(5)的后平面到其焦点的距离，也是凹柱面透镜(5)的平面到二极管激光器(1)发射截面的距离；d1为凸柱面透镜(4)的后平面到凹柱面透镜(5)的后平面的距离；f为凸透镜(7)的焦距，即凸透镜(7)到二极管激光器(1)发射截面的距离；d2为凸透镜(7)到凹柱面透镜(5)的后平面的距离；同时满足fb2-fb1＝d1和d2＝f-fb2；
凸柱面透镜(4)的口径2r3比二极管激光器(1)在快轴方向上的激光光束在fb1处的光斑尺寸大，此光斑指的是激光光束的半高全宽；凹柱面透镜(5)的口径2r4比激光光束经过凸柱面透镜(4)准直后发射到凹面透镜(5)的光斑尺寸大；凸柱面透镜(4)的口径等于激光光束发射到凹柱面透镜(5)的光斑尺寸；
在激光光束的快轴方向上，凸柱面透镜(4)、凹柱面透镜(5)和凸透镜(7)三者在同一个焦点，并保证输出激光光束快轴的发散角与凸透镜(7)的接收角匹配，即2r1/fb2＝2r2/f；2r1为激光光束发射到凹柱面透镜(5)的光斑的尺寸，2r2为凸透镜(7)的口径；在激光光束慢轴方向上，激光光束在经过凸柱面透镜(4)、凹柱面透镜(5)时，发散角并不会发生变化；
二极管激光器(1)发出的激光光束依次经过凸柱面透镜(4)、凹柱面透镜(5)和凸透镜(7)准直后发射到大气中；沿着快轴方向的激光光束首先经过凸柱面透镜(4)，被准直成平行光；然后经过凹柱面透镜(5)，使得快轴方向的光束再次变为发散；此时输出激光光束的快轴发散角与凸透镜(7)的接收角匹配，从而极大地提高了快轴激光束的耦合效率。
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