CN110007290A - 一种采用集成干涉共振方法的智能车用激光雷达小型激光光源及其应用 - Google Patents
一种采用集成干涉共振方法的智能车用激光雷达小型激光光源及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种采用集成干涉共振方法的智能车用激光雷达小型激光光源，包括法布里‑珀罗谐振腔半导体激光二极管，其中在所述法布里‑珀罗谐振腔半导体激光二极管的输出光端面设置滤光/反馈薄膜组，所述滤光/反馈薄膜组包括多层高折射率材料‑低折射率材料薄膜和部分反射膜；所述法布里‑珀罗谐振腔半导体激光二极管输出的相干光束经滤光/反馈薄膜组选频得到单波长光束，然后被部分反射，反射光在由所述法布里‑珀罗谐振腔半导体激光二极管的输出光端面与滤光/反馈薄膜组构成的谐振腔中振荡、放大至超过振荡阈值，使所述部分反射膜的透射光作为输出激光。本发明的小型激光光源的具备小型集成化、低成本、高抗干扰性、窄线宽更稳定的特点。
Description
【技术领域】
本发明涉及激光光源，尤其涉及一种采用集成干涉共振方法的智能车用激光雷达小型激光光源及其应用。
【背景技术】
近年来智能交通和无人驾驶产业的兴起，极大地刺激了对激光雷达的需求。由于激光雷达可以形成厘米级3D高精度环境地图，因此在ADAS及无人驾驶系统中具有重要作用。当前车载激光雷达的实际应用中，机械式的多线束激光雷达是主流方案，但其具有价格高昂和性能限制等缺陷。
激光雷达通过发射激光束来探测目标位置、速度等特征量，具有精度高、方向性好等优点，在军事及民用的测距测速等领域具有广泛应用。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，如风速测量、污染探测、目标跟踪、测距和成像等。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成为相干雷达中的核心光器件之一。通常，半导体激光器线宽只有MHz量级水平，因缺乏窄线宽(50kHz量级)的激光光源，因此其测量精度存在局限性。如果能够获得小型集成化、低成本、窄线宽(50kHz量级)的激光光源，将有利于提高用于智能车用激光雷达的测量范围和精度。
另一方面，目前的光栅外腔半导体激光器和干涉滤光片外腔半导体激光器均存在易受机械振动的影响，存在容易出现跳模现象、激光线宽较宽、体积较大且成本高等缺陷。如何研制出小型集成化、低成本、窄线宽的用于智能车用激光雷达的小型光源，一直是国际性技术难题和挑战。尽管国际上出现了各种压窄激光线宽的技术，如图1是传统的干涉滤光片外腔半导体激光器，由激光二极管、准直透镜、干涉滤光片和外腔腔镜四个部分构成，激光二极管出射光经过准直透镜后变成平行光入射到干涉滤光片，调节干涉滤光片的角度即改变入射光到干涉滤光片的角度，即可使特定频率的光透过，透过的光经部分反射镜沿原路反馈回激光二极管形成外腔振荡，透过部分反射镜的光即激光器输出激光。这种类型激光器至少包括四个元件，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。如图2和3分别是DFB激光器和DBR激光器，这两类激光器虽然集成了光栅选膜，体积小，但由于激光器线宽最好指标也只是处于百kHz量级，所以也无法满足智能车用激光雷达对小型光源窄线宽(50kHz量级)的要求。
【发明内容】
本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种采用集成干涉共振方法的智能车用激光雷达小型激光光源，在国际上首次利用这种创新型结构将滤光和外腔反馈功能集成一体化，主要集成应用在智能车用相干测距测速激光雷达中。
本发明的思路是将滤光和外腔反馈功能以镀膜方式集成在法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管的输出光端面外侧以构成谐振腔，从而实现小型激光光源。
基于此，本发明提供一种小型激光光源，所述激光光源包括法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管，其中在所述法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管的输出光端面设置滤光/反馈薄膜组，所述滤光/反馈薄膜组包括多层高折射率材料-低折射率材料薄膜，以及设置在所述输出光端面远端的部分反射膜；
所述法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管输出的相干光束经所述滤光/反馈薄膜组选频得到单波长光束，该单波长光束被所述部分反射膜部分反射，反射光在由所述法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管的输出光端面与滤光/反馈薄膜组构成的谐振腔中振荡、放大至超过振荡阈值，使所述部分反射膜的透射光作为输出激光。
在本发明中，所述法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管例如采用eagleyardphotonics厂家生产销售的EYP-RWE-0790-02000-1500-SOT02-0000型法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管，其可调谐波长范围是783nm-797nm。或者采用COVEGA厂家生产销售的SAF1126H型法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管，其有源区53与输出面有一个倾斜的角度，可以避免光反馈引起的激光模式不稳定。
在本发明中，高折射率材料-低折射率材料薄膜的数量为10层～100层，滤光带宽为0.1nm～2nm。本领域技术人员可依据膜系设计，根据波长需求确认具体的高折射率材料-低折射率材料薄膜层数。膜系设计为现有技术，如参考浙江大学出版社的《现代光学薄膜技术》。
在本发明中，所述部分反射膜的反射率是30％～95％，不同的反射率对应不同的激光输出功率。本领域技术人员可以根据输出激光功率需求选择相应的反射率参数，只要满足输出激光功率条件，都可以实现本发明的方案。
作为一种优选的实施方式，所述的高折射率材料-低折射率材料例如选自ZnS-MgF2、TiO2-SiO2或Si-SiO2，它们通过常规镀膜的方式构造在法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管的输出光端面。
基于以上采用集成干涉共振方法的小型激光光源，本发明还提供上述小型激光光源在智能车用激光雷达中的应用。
本发明通过集成干涉共振方法，将法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管和多层兼具滤光和外腔反馈功能于一体的滤光/反馈薄膜组集成一体化，通过镀膜工艺，从而获得一种小型集成化、窄线宽的半导体激光器，其具有结构简单、生产低成本、高抗干扰性、窄线宽特性，因此适用于智能车用激光雷达小型光源，可作为消费级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是现有的干涉滤光片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—干涉滤光片；14—部分反射镜；15—输出激光。
图2是现有的DFB半导体激光器的原理示意图；
其中，21—外壳封装1；22—光栅1；23—有源区1；24—光波导1；25—输出激光1。
图3是现有的DBR半导体激光器的原理示意图；
其中，31—外壳封装2；32—光栅2；33—有源区2；34—光波导2；35—输出激光2。
图4是实施例1结构示意图；
其中，41—法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管；42—P区；43—有源区；44—N区；45—高折射率材料；46—低折射率材料；47—部分反射膜；48—输出激光。
图5是实施例2结构示意图。
其中，41—法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管；42—P区；53—具有倾斜角度的有源区；44—N区；45—高折射率材料；46—低折射率材料；47—部分反射膜；48—输出激光。
图6是本发明的干涉滤光片薄膜组，设计在795nm通带时的带宽测试结果，其中滤光带宽为0.3nm。
【具体实施方式】
以下实施例用于非限制性地解释本发明的技术方案。
实施例1
如图4所示的小型激光光源，包括法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管和滤光/反馈薄膜组。
法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管包括P区、有源区和N区。在本实施例中，针对输出激光波长范围要求，根据现有技术进行膜系设计，设计要求为输出激光中心波长为795nm±2nm，模宽小于0.4nm，透过率大于90％。以法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管的输出光端面作为基底，在基底上镀上60层滤光薄膜组，其中深颜色为高折射率材料45，具体选用TiO2-Nb2O5的混合物，其折射率为2.255；浅颜色为低折射率材料46，具体选用SiO2，其折射率为1.48。其中1～29层和31～60层镀膜为高折射率材料和低折射率材料每个单层依次组成，第30层镀膜则是由10层低折射率材料组成。可以得到高折射率和低折射率的镀膜厚度分别为106.7nm和162.5nm。
本实施例法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管输出中心波长为790nm，其可调谐波长范围是783nm-797nm，出射波长正好为795nm，模宽为0.3nm，出射光透过率为99.7％。
图6是本实施例的干涉滤光片薄膜组，设计在795nm通带时的带宽测试结果。可见其带宽较小，显著优于现有技术。
最后在最远端的滤光薄膜组外通过镀膜设置透光率为50％的部分反射膜。
本实施例的法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管发出的相干光束经过多层具有滤光作用的滤光薄膜组被选频而成为单波长光束，该单波长光束作为入射光，部分经部分反射膜反射回法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管，部分透过部分反射膜成为输出激光。
被部分反射膜反射的单波长光束沿原路返回到法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管时，此时法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管输出光端面与部分反射膜构成谐振腔，反射光在该谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，从而使得透过部分反射膜的光束直接输出作为输出激光。
实施例2
如图5所示的小型激光光源，包括法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管、滤光/反馈薄膜组。其中元件的作用与位置关系与实施例1相同；不同之处在于，有源区53与输出面有一个倾斜的角度，可以避免光反馈引起的激光模式不稳定。
通过在法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管的输出光端面镀滤光/反馈薄膜组，使法布里-珀罗谐振腔激光二极管发出的相干光束被选频为单波长光，经部分反射膜部分反射后在谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，透过部分反射膜的光束直接输出作为输出激光。这种通过复合镀膜实现谐振腔与法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管的集成实现了激光光源结构的紧凑性，从而有效减少激光光源体积，大幅降低激光器的线宽。
本发明的小型激光光源采用集成干涉共振方法获得出射光，通过创新结构而具有高度集成特性，产品体积达到毫米量级，因此能够适用于消费级相干激光雷达系统中的核心光器件，可作为智能车用激光雷达小型光源。它克服了传统干涉滤光片外腔半导体激光器中，激光二极管、干涉滤光片和外腔腔镜必须分立的思想束缚，创造性地将法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管和多层兼具滤光和外腔反馈功能于一体的薄膜集成一体化，实现高度集成化，在确保产品性能的同时显著减小产品体积。在本发明中，这种多层兼具滤光和外腔反馈功能于一体的滤光/反馈薄膜组作为激光外腔并起到准直和选频的作用，进而压窄激光线宽，实现微型化的毫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。
Claims (5)
1.一种采用集成干涉共振方法的小型激光光源，所述激光光源包括法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管，其特征在于在所述法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管的输出光端面设置滤光/反馈薄膜组，所述滤光/反馈薄膜组包括多层高折射率材料-低折射率材料薄膜，以及设置在所述输出光端面远端的部分反射膜；
所述法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管输出的相干光束经所述滤光/反馈薄膜组选频率得到单波长光束，该单波长光束被所述部分反射膜部分反射，反射光在由所述法布里-珀罗谐振腔半导体激光二极管的输出光端面与滤光/反馈薄膜组构成的谐振腔中振荡、放大至超过振荡阈值，使所述部分反射膜的透射光作为输出激光。
2.根据权利要求1所述的小型激光光源，其特征在于高折射率材料-低折射率材料薄膜的数量为10-100层，滤光带宽为0.1nm～2nm。
3.根据权利要求1所述的小型激光光源，其特征在于所述部分反射膜的发射率范围30％～95％。
4.根据权利要求1所述的小型激光光源，其特征在于所述的高折射率材料-低折射率材料选自ZnS-MgF2、TiO2-SiO2或Si-SiO2。
5.权利要求1-4中任一项权利要求所述的采用集成干涉共振方法的小型激光光源在智能车用激光雷达小型光源中的应用。
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