CN110212404A - 智能车用混合菲涅尔透镜干涉滤光片半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能车用混合菲涅尔透镜干涉滤光片半导体激光器。半导体激光器由半导体激光二极管和兼具聚焦和滤光功能的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件组成;菲涅尔透镜由把激光二极管输出的光束整形为平行光束的前齿纹面和用于镀制干涉滤光片薄膜组的后平整面组成;光学元件将滤光功能以镀膜方式集成在具有准直功能的菲涅尔透镜上,并将菲涅尔透镜与干涉滤光片薄膜组集成一体化;光学元件以菲涅尔透镜的后平整面作为基底,在基底上交替镀制具有滤光作用的薄膜组。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器技术,特别涉及一种通过采用兼具聚焦和滤光功能的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件,来实现用于智能车激光雷达的混合菲涅尔透镜干涉滤光片半导体激光器,和提高智能车用车载相干激光雷达测距测速范围和精度的半导体激光器。
背景技术
窄线宽半导体激光器是相干激光雷达中的核心光器件之一,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。
目前国际上常用的半导体激光器组成部分主要为激光二极管、准直透镜、选频元件和外腔镜,这些元件都是分立存在,所以这类激光器存在易受机械振动的影响,会有跳模现象且激光线宽较宽等缺陷。例如传统的干涉滤光片半导体激光器,主要组成部分分别是激光二极管、准直透镜、干涉滤光片和外腔镜。传统的光栅半导体激光器,主要组成部分分别是激光二极管、准直透镜、光栅和外腔镜。为了使这类激光器小型集成化,已经有用混合菲涅尔透镜衍射光栅光学元件实现半导体激光器的方案被提出。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。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激光器、DFB激光器、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。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术缺陷,提供一种混合菲涅尔透镜干涉滤光片半导体激光器,结合混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件外腔技术,在国际上首次利用这种创新型结构同时实现光束准直和滤光功能,集成应用在智能车用相干测距测速激光雷达中的半导体激光器。
本发明的技术解决方案是所述智能车用混合菲涅尔透镜干涉滤光片半导体激光器,包括半导体激光二极管和混合菲涅尔透镜干涉滤光片,其特殊之处在于,所述半导体激光器由半导体激光二极管和兼具聚焦和滤光功能的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件组成;所述菲涅尔透镜由把激光二极管输出的光束整形为平行光束的前齿纹面和用于镀制干涉滤光片薄膜组的后平整面组成;所述光学元件将滤光功能以镀膜方式集成在具有准直功能的菲涅尔透镜上,并将菲涅尔透镜与干涉滤光片薄膜组集成一体化;所述光学元件以菲涅尔透镜的后平整面作为基底,在基底上交替镀制具有滤光作用的薄膜组;所述超窄带干涉滤光片的滤光带宽为0.1nm~2nm;
其中,所述半导体激光器的激光二极管用于输出激光光束,所述菲涅尔透镜的齿纹面把激光二极管输出的光束整形为平行光束,再经多层具有滤光作用的干涉滤光片薄膜组选频而成为单波长光束,经远端的干涉滤光片薄膜组外以镀膜设置的部分反射膜部分反射回激光二极管,在所述部分反射膜和激光二极管输出端面构成腔镜的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值,使得所述混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件部分反射膜的透射光作为输出激光,从而大大降低激光器的线宽;
所述混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件是指:将具有滤光功能的干涉滤光片薄膜组以镀膜方式集成在具有准直功能的菲涅尔透镜上的一种光学元件。
作为优选:所述干涉滤光片薄膜组由高折射率材料-低折射率材料相间镀制而成。
作为优选:所述干涉滤光片薄膜组最外层镀制部分反射膜;当所述光学元件与入射光的角度为零度时,反射光与入射光共线反向,所述反射光沿原路返回;所述部分反射膜反射率范围30%~95%。
作为优选:所述高折射率材料-低折射率材料薄膜的数量是为10层~100层。
作为优选:所述高折射率材料-低折射率材料选自ZnS-MgF2、TiO2-SiO2、Si-SiO2或TiO2-Nb2O5的一种或其组合。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
⑴本发明提供的混合菲涅尔透镜干涉滤光片半导体激光器,在国际上首次应用兼具准直和滤光功能的混合菲涅尔透镜干涉滤光片来实现一种小型集成化、窄线宽的半导体激光器。
⑵本发明通过结合混合菲涅尔透镜干涉滤光片(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。
⑶本发明中的混合菲涅尔透镜干涉滤光片激光外腔,集光束准直、滤光、外腔反馈三种功能于一体,由于干涉滤光片选频性能优于光栅,本发明比混合菲涅尔透镜衍射光栅激光外腔技术更具有实用性,并且具有低成本、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。
⑷本发明通过在菲涅尔透镜的平整面上镀制干涉滤光片薄膜组,使透过菲涅尔透镜齿纹面的平行光被选频为单波长光;这种通过复合镀膜实现兼具准直和选频功能的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件结构的紧凑性,从而有效减少具备相同功能光学元件的体积。
⑸本发明所述的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件的厚度通常小于2毫米,可作为智能车用激光雷达小型光源中的核心光器件。它克服了传统激光器中准直和选频元件分立的思想束缚,创造性地将菲涅尔透镜和干涉滤光片薄膜组集成一体化,进而减小光学元件体积,实现微型化的窄带的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件批量制备,用于小型激光光源中的核心光器件,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、窄带的光学元件。
⑹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如图3所示,可见其带宽较小,显著优于现有技术。
附图说明
图1是本发明智能车用混合菲涅尔透镜干涉滤光片半导体激光器的结构示意图;
图2是本发明的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件原理示意图;
图3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。
具体实施方式
本发明下面将结合附图作进一步详述:
请参阅图1所示,所述智能车用混合菲涅尔透镜干涉滤光片半导体激光器,由半导体激光二极管1和兼具聚焦和滤光功能的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件组成;所述菲涅尔透镜由把激光二极管1输出的光束整形为平行光束的前齿纹面2和用于镀制干涉滤光片薄膜组的后平整面3组成;所述光学元件将滤光功能以镀膜方式集成在具有准直功能的菲涅尔透镜上,并将菲涅尔透镜与干涉滤光片薄膜组集成一体化;所述光学元件以菲涅尔透镜的后平整面3作为基底,在基底上交替镀制具有滤光作用的薄膜组;超窄带干涉滤光片的滤光带宽为0.1nm~2nm;
其中,所述半导体激光器的激光二极管1用于输出激光光束,所述菲涅尔透镜的齿纹面2把激光二极管1输出的光束整形为平行光束,再经多层具有滤光作用的干涉滤光片薄膜组选频而成为单波长光束,经远端的干涉滤光片薄膜组外以镀膜设置的部分反射膜部分反射回激光二极管1,在所述部分反射膜和激光二极管1输出端面构成腔镜的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值,使得所述混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件部分反射膜的透射光作为输出激光,从而大大降低激光器的线宽。
本实施例中,所述干涉滤光片薄膜组由高折射率材料-低折射率材料相间镀制而成;所述高折射率材料-低折射率材料薄膜的数量是为10层~100层。
本实施例中,所述干涉滤光片薄膜组最外层镀制部分反射膜;当所述光学元件与入射光的角度为零度时,反射光与入射光共线反向,所述反射光沿原路返回;所述部分反射膜反射率范围30%~95%。
本实施例中,所述高折射率材料-低折射率材料选自ZnS-MgF2、TiO2-SiO2、Si-SiO2或TiO2-Nb2O5的一种或其组合。
请参阅图2所示,所述混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件,包括所述菲涅尔透镜前表面的齿纹面1,后表面的平整面2,所述光学元件以菲涅尔透镜的平整面2作为基底,在所述基底上交替镀制具有滤光作用的由高折射率材料3-低折射率材料4组成的薄膜组。
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%。以菲涅尔透镜的平整面2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物质3,具体选用为TiO2-Nb2O5的混合物,其折射率为2.255;浅颜色为低折射率材料物质4,具体选用为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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种智能车用混合菲涅尔透镜干涉滤光片半导体激光器,包括半导体激光二极管和混合菲涅尔透镜干涉滤光片,其特征在于,所述半导体激光器由半导体激光二极管和兼具聚焦和滤光功能的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件组成;所述菲涅尔透镜由把激光二极管输出的光束整形为平行光束的前齿纹面和用于镀制干涉滤光片薄膜组的后平整面组成;所述光学元件将滤光功能以镀膜方式集成在具有准直功能的菲涅尔透镜上,并将菲涅尔透镜与干涉滤光片薄膜组集成一体化;所述光学元件以菲涅尔透镜的后平整面作为基底,在基底上交替镀制具有滤光作用的薄膜组;超窄带干涉滤光片的滤光带宽为0.1nm~2nm;
其中,所述半导体激光器的激光二极管用于输出激光光束,所述菲涅尔透镜的齿纹面把激光二极管输出的光束整形为平行光束,再经多层具有滤光作用的干涉滤光片薄膜组选频而成为单波长光束,经远端的干涉滤光片薄膜组外以镀膜设置的部分反射膜部分反射回激光二极管,在所述部分反射膜和激光二极管输出端面构成腔镜的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值,使得所述混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件部分反射膜的透射光作为输出激光,从而大大降低激光器的线宽。
2.根据权利要求1所述智能车用混合菲涅尔透镜干涉滤光片半导体激光器,其特征在于,所述干涉滤光片薄膜组由高折射率材料-低折射率材料相间镀制而成。
3.根据权利要求2所述智能车用混合菲涅尔透镜干涉滤光片半导体激光器,其特征在于,所述干涉滤光片薄膜组最外层镀制部分反射膜;当所述光学元件与入射光的角度为零度时,反射光与入射光共线反向,所述反射光沿原路返回;所述部分反射膜反射率范围30%~95%。
4.根据权利要求2所述智能车用混合菲涅尔透镜干涉滤光片半导体激光器,其特征在于,所述高折射率材料-低折射率材料薄膜的数量是为10层~100层。
5.根据权利要求1所述智能车用混合菲涅尔透镜干涉滤光片半导体激光器,其特征在于,所述高折射率材料-低折射率材料选自ZnS-MgF2、TiO2-SiO2、Si-SiO2或TiO2-Nb2O5的一种或其组合。
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