CN110662979A - 用于发射辐射到周围环境中的发送单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于发射辐射(209,209‑1,209‑2)到周围环境中的发送单元(100‑1)，具有·至少一个半导体激光器(102)，其具有至少一个第一发射极，所述第一发射极具有第一部分(202)和第二部分(203)，和·用于操控所述半导体激光器(102)的至少一个控制单元(101)，其中，所述控制单元(101)构造为用于对所述至少一个发射极的第一部分(202)加载以第一供给变量(204)并且对所述至少一个发射极的第二部分(203)加载以与所述第一供给变量(204)不同的第二供给变量(205,301‑1,301‑2)。

Description

用于发射辐射到周围环境中的发送单元
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分所述的、用于发射辐射到周围环境中的发送单元和一种用于操控发送单元的方法。
背景技术
文献PORTNOI、E.L.等人的，《来自Q-切换二极管激光器的超高功率皮秒光脉冲》(Superhigh-Power Picosecond Optical Pulses from Q-Switched Diode Laser)，IEEE量子电子精选主题期刊，1997年4月，第3卷，2号，第256-260页公开了一种借助被动Q开关运行的半导体激光器。
由US7428342已知一种激光雷达系统，在该激光雷达系统中借助被动Q开关运行固体激光器。
发明内容
本发明从一种用于发射辐射到周围环境中的、具有至少一个半导体激光器的发送单元出发，所述发送单元具有至少一个第一发射极和用于操控半导体激光器的至少一个控制单元，所述第一发射极具有第一部分和第二部分。
根据本发明，所述控制单元构造为用于对至少一个发射极的第一部分加载以第一供给变量并且对至少一个发射极的第二部分加载以与第一供给变量不同的第二供给变量。
供给变量可以是电荷。供给变量例如可以是电流或电压。第一部分可以被称为放大器部分。电荷载体例如可以在这里被储存。第二部分可以被称为开关部分。所述第二部分可以被快速地开关。所述辐射可以是激光辐射。该激光辐射可以是脉冲式激发的。
第一和第二供给变量例如可以在其量值方面相互区别。对第一部分加载以第一供给变量的时间点可以与对第二部分加载以第二供给变量的时间点不同。为此，第一部分的触点接通可以与第二部分的触点接通不相同。
本发明的优点在于，能够借助主动Q开关、即以至少一个第二供给变量有针对性地影响半导体激光器。因此，发送激光辐射的时间点可以被半导体激光器非常精确地控制。发送单元可以发射(发送)具有高能量和高功率的短激光脉冲。与例如使用固体激光器相比，借助半导体激光器能够实现尤其在100kHz至1MHz范围内的高脉冲重复率。半导体激光器提供更小结构尺寸和更低成本的优点。与具有不能被Q开关切换的激光器的发送单元相比，可以在脉冲能量相同的情况下实现更高的脉冲功率。这在发送单元的人眼安全性和接收单元的探测有效范围方面是有利的(改善的信噪比)。
在本发明的一个有利构型中设置，所述第一部分具有第一区域，该第一区域具有至少一种半导体材料。所述第二部分具有第二区域，该第二区域具有至少一种半导体材料。所述第一区域和所述第二区域彼此间隔开。
所述第一和第二区域可以由不同材料构造。所述第一和第二区域可以被不同地结构化。通过将第一和第二区域间隔开可以在所述第一和第二区域之间构造第三区域。该第三区域例如可以是绝缘区域，使得没有电荷能够直接从第一区域被传递到第二区域，或反之亦然。因此，所述第一和第二区域能够至少在接触平面内被电分离。
其优点在于，在这些半导体材料上能够实现半导体激光器的第一和第二部分的触点接通。通过将所述第一和第二区域间隔开能够限定并且非常精确地发生对所述第一部分加载以第一供给变量和对所述第二部分加载以第二供给变量。因此，例如可以避免在所述第一和第二区域之间的电荷载体交换。由此能够有针对性地以电荷加载所述放大器部分。所述第二部分能够有针对性地且快速地被切换。
在本发明的一个实施方式中，半导体激光器可以具有恰好一个发射极。其优点在于，发送单元可以发射具有高能量和高功率的、呈点状激光束形式的激光辐射。
在本发明的另一有利构型中，半导体激光器具有至少两个发射极。所述至少两个发射极的每个发射极具有分别配属于该发射极的第一部分和分别配属于该发射极的第二部分。
其优点在于，在将所述至少两个发射极彼此并排地布置时，发送单元可以发射具有高能量和高功率的、呈线形激光束形式的激光辐射。视所述至少两个发射极的布置而定也能想到激光束的其它几何形状。
在本发明的另一有利构型中，控制单元构造为用于对所述至少两个发射极的每个发射极的各自的第二部分加载以分别配属于该发射极的第二供给变量，其中，所述第二供给变量尤其是不同的。
其优点在于，所述至少两个发射极的每个发射极可以单个地被切换。
在本发明的另一有利构型中，通过对所述至少两个发射极的每个发射极的各自的第二部分加载以分别配属于该发射极的第二供给变量，能够产生辐射的时间相关的发射。
其优点在于，还能够实现更高的脉冲功率和更小的脉冲幅度。
在本发明的另一有利构型中，发送单元还具有用于探测至少一个参考辐射的探测器。配属于所述发射极的第二供给变量与所述至少一个参考辐射有关。
其优点在于，由此能够对由所述至少两个发射极的每个发射极发出的激光辐射进行分析。由此出发能够对分别配属于该发射极的第二供给变量进行匹配。该匹配例如可以这样地进行，使得辐射的发射可以更好地与时间相关。
在本发明的另一有利构型中，发送单元具有另外的光学元件。发送单元尤其具有偏转单元，用于将由半导体激光器发出的辐射沿着偏转方向偏转到周围环境中。所述偏转单元可以是可运动的并且其运动能够被操控。所述偏转单元例如可以是反射镜。
其优点在于，由半导体激光器发出的辐射在其构型和传播方向上能够被改变。因此，传播方向能够通过光学元件、例如反射镜或分光器被改变。辐射的构型例如可以通过光学透镜或棱镜被改变。通过对可运动的偏转单元的操控能够将发送单元用于这样的系统，在该系统中，激光辐射必须能够沿不同的空间方向被偏转。
此外，本发明从一种具有如刚才已经说明的发送单元的激光雷达传感器出发。所述激光雷达传感器还具有接收单元，用于接收由周围环境中的对象反射的辐射。该接收单元可以具有用于探测接收到的辐射的探测器。该探测器尤其可以是单光子-雪崩光电二极管探测器(英文：Single Photon Avalanche Diode,SPAD)。
其优点在于，通过半导体激光器的主动Q开关得到对于激光雷达传感器改善的信噪比。在此，良好的信噪比可以由发送单元的具有高能量和高功率的短激光脉冲引起。可以提高用于激光雷达传感器的系统分辨率。在这里所说明的激光雷达传感器的有效范围可以比在这样的激光雷达传感器时明显更大，该激光雷达传感器的发送单元不具有带有主动Q开关的半导体激光器。
此外，本发明从一种用于操控具有至少一个半导体激光器的发送单元的方法出发，所述半导体激光器具有至少一个第一发射极，用于发射辐射到周围环境中，该第一发射极具有第一部分和第二部分。所述方法具有借助控制单元对所述第一部分加载以第一供给变量的步骤。此外，所述方法具有借助控制单元对所述第二部分加载以与所述第一供给变量不同的第二供给变量的步骤。
在本发明的一个有利构型中，半导体激光器具有至少两个发射极。所述至少两个发射极的每个发射极具有分别配属于该发射极的第一部分和分别配属于该发射极的第二部分。所述至少两个发射极的每个发射极的各自的第二部分被加载以分别配属于该发射极的第二供给变量。所述第二供给变量尤其是不同的。
在本发明的另一有利构型中，所述方法具有借助探测器探测至少一个参考辐射的另外的步骤。在另一步骤中，对所述至少一个参考辐射进行分析。在另一步骤中，根据上述分析对分别配属于该发射极的第二供给变量进行匹配。
附图说明
下面根据附图详细阐述本发明的实施例。在附图中相同的附图标记标明相同或作用相同的元件。附图示出了：
图1具有根据本发明的发送单元的激光雷达传感器；
图2发送单元的第一实施例；
图3发送单元的第二实施例；
图4A发送单元发射的没有时间相关性的激光辐射；
图4B发送单元发射的具有时间相关性的激光辐射；
图5半导体激光器的发射极的横截面。
具体实施方式
图1示例性地示出激光雷达传感器100的示意性结构。激光雷达传感器100具有发送单元100-1。该发送单元又具有控制单元101。借助控制单元101操控并且因此运行半导体激光器102。半导体激光器102发射呈激光辐射形式的辐射。所述激光辐射可以是脉冲式激发的。激光辐射可以借助发送单元100-1的至少一个另外的光学元件103在构型和传播方向上被改变。在此仅示意性地示出光学元件103。光学元件103例如可以是反射镜、分光器、透镜或棱镜。
激光辐射可以被发射(发送)到周围环境中。激光辐射可以在借助光学元件103改变之后被发射(发送)到周围环境中。在周围环境中，激光辐射可以被对象104反射。在周围环境中，激光辐射可以被对象104散射。被对象104反射和/或散射的辐射可以被激光雷达传感器100的接收单元100-2接收。接收单元100-2为此也可以具有光学元件105。接收到的辐射可以被引导到探测器106上。由此在探测器上生成信号。借助用于信号处理的设备107可以对该信号进行分析评估。
图2示出发送单元100-1A作为第一实施例。所示的半导体激光器102具有六个发射极201-1至201-6(在下面标记为201-x)。为了清楚起见，仅标出发射极201-1和201-2以及配属于这两个发射极201-1和201-2的另外的特征。半导体激光器102的所述发射极201-x中的每一个具有第一部分202-x和第二部分203-x。第一部分202-x可以是放大器部分。第二部分203-x可以是开关部分。在下面进一步在图5中说明对于这样的发射极201-x的精确结构的示例。
借助控制单元101对所示的六个发射极201-x的第一部分202-x加载以第一供给变量204。所述第一部分202-x中的每一个可以被加载以第一供给变量204。例如，电流204流向放大器部分202-x。借助控制单元101对所示的六个发射极201-x的第二部分203-x加载以第二供给变量205。所述第二部分中的每一个可以被加载以第二供给变量205。例如，电流205流向开关部分203-x。控制单元201优选构造为用于与对第二部分203-x加载以第二供给变量205无关地执行对第一部分202-x加载以第一供给变量204。为此，控制单元201例如可以是多部分-激光二极管驱动器。通过对第二部分203-x主动加载以第二供给变量205可以接通发射极201-x。由此六个发射极201-x的单个脉冲可以是时间相关的。发射极201-x的单个脉冲可以被同步。由此可以实现高脉冲能量和高脉冲功率。
第一部分202-x和第二部分203-x的定位是可变化的。第一部分202-x和第二部分203-x也可以这样地定位，使得第二部分203-x更靠近控制单元201定位。这具有使控制单元201至开关部分203-x的电连接短的优点。由此产生更小的电感率，这导致在更低电压下的更快的切换过程。开关部分203-x也可以相对于半导体激光器102居中地安装。开关部分203-x也能够可变化地移位地布置。每个发射极201-x也可以安装有多个开关部分203-x-y(y＝1至z)。
在所示的示例中，所有发射极201-x的脉冲式激发的激光束借助光学透镜206被集中并且被聚焦到可运动的反射镜207上。激光辐射209以线形激光束的形式沿着偏转方向208被发射到发送单元100-1A的周围环境中。
图3示出发送单元100-1B作为第二实施例。与图1或2相同的附图标记标明相同或作用相同的元件。类似于图2的实施例，发送单元100-1B也可以具有另外的光学元件，例如光学透镜或偏转镜。在图3中没有额外地示出这些另外的光学元件。
所示的发送单元100-1B的半导体激光器102具有六个发射极201-x。所述发射极201-x中的每一个具有第一部分202-x，即放大器部分，和第二部分203-x，即开关部分。
此外，发送单元100-1B具有探测器303，用于探测来自发射极201-x的后棱面的参考辐射302-x。探测器303例如可以是监控器-二极管阵列。参考辐射可以被分析。根据参考辐射302-x可以感测发射极201-x的激光脉冲209-x的时间顺序。代表关于时间顺序的信息的信号304可以被传输给控制单元101。
借助控制单元101可以对所示的六个发射极201-x的第一部分202-x加载以第一供给变量204。所述第一部分202-x中的每一个可以被加载以第一供给变量204。在此，所述供给变量204对于所有六个发射极201-x而言可以具有相同的量值。所有发射极201-x的放大器部分202-x被共同的电流204充电。
借助控制单元101可以对所示的六个发射极201-x的第二部分203-x加载以配属于各发射极的第二供给变量205-x。例如，流向开关部分203-1的电流205-1可以具有与流向开关部分203-2的电流205-2等不同的量值。尤其可以根据关于发射极201-x的激光脉冲209-x的时间顺序的信息这样地匹配第二供给变量205-x，使得激光脉冲209-x的发射还更好地与时间相关。发射出的激光脉冲209-x的同步性被提高。
图4A示出在时间402横坐标上绘制出光学功率401的曲线图。定性地示出如例如图3所示那样的无时间相关性/同步性的发送单元的发射极201-x的单个脉冲209-x。
图4B也示出在时间402横坐标上绘制出光学功率401的曲线图。定性地示出如例如图3所示那样的具有时间相关性/同步性的发送单元100-1的发射极201-x的单个脉冲209-x。激光脉冲209-x的同步性与图4A相比明显提高。
替代地，发送单元100-1B的探测器303可以是单个监控器二极管。为了优化可以借助具有程序代码的计算机程序产品适配单个发射极201-x的开关时间。
此外可以是，单个地操控发送单元100-1的半导体激光器102的发射极201-x。例如，可以有针对性地关断单个发射极201-x。当强烈反射的、干扰测量的对象位于测量路径中时，这可以是有利的。
图5示出半导体激光器102的发射极201的横截面，如在前述附图中所示的发送单元100-1可以具有该发射极。发射极201具有能够被加载以第一供给变量204的第一部分202。发射极201还具有能够被加载以第二供给变量205的第二部分203。发射极201可以发射激光脉冲209。
第一部分202具有第一区域502，该第一区域具有至少一种半导体材料。第二部分203具有第二区域503，该第二区域具有至少一种半导体材料。第一区域502和第二区域503相对彼此间隔开。在示例中，在第一区域502和第二区域503之间是绝缘区域501。第一区域502和第二区域503布置在所述第一部分202和所述第二部分可以共享的层上。第一区域502和第二区域503可以布置在共同的波引导层504上。在波引导层504的中心可以布置有激活区505。此外，第一部分202和第二部分203可以分享一个共同的基底506。

Claims (11)

1.一种用于发射辐射(209,209-1,209-2)到周围环境中的发送单元(100-1)，所述发送单元具有：
·至少一个半导体激光器(102)，所述半导体激光器具有至少一个第一发射极，所述第一发射极具有第一部分(202)和第二部分(203)，和
·至少一个控制单元(101)，用于操控所述半导体激光器(102)，
其特征在于，
所述控制单元(101)构造为用于对所述至少一个发射极的第一部分(202)加载以第一供给变量(204)并且对所述至少一个发射极的第二部分(203)加载以与所述第一供给变量(204)不同的第二供给变量(205,301-1,301-2)。
2.根据权利要求1所述的发送单元(100-1)，其特征在于，所述第一部分(202)具有第一区域(502)，所述第一区域具有至少一种半导体材料，并且所述第二部分(203)具有第二区域(503)，所述第二区域具有至少一种半导体材料，并且所述第一区域(502)和所述第二区域(503)彼此间隔开。
3.根据权利要求2所述的发送单元(100-1)，其特征在于，所述半导体激光器具有至少两个发射极(201-1,201-2)，其中，
·所述至少两个发射极(201-1,201-2)中的每个发射极具有分别配属于该发射极的第一部分(202-1,202-2)和分别配属于该发射极的第二部分(203-1,203-2)。
4.根据权利要求3所述的发送单元(100-1)，其特征在于，所述控制单元(101)构造为用于对所述至少两个发射极(201-1,201-2)中的每个发射极的各自的第二部分(203-1,203-2)加载以分别配属于该发射极(201-1,201-2)的第二供给变量(301-1，301-2)，其中，所述第二供给变量(301-1,301-2)尤其是不相同的。
5.根据权利要求4所述的发送单元(100-1)，其特征在于，通过对所述至少两个发射极(201-1,201-2)中的每个发射极的各自的第二部分(203-1,203-2)加载以分别配属于该发射极(201-1,201-2)的第二供给变量(301-1,301-2)，能够产生所述辐射(209-1,209-2)的时间相关的发射。
6.根据权利要求4或5所述的发送单元(100-1)，其特征在于，所述发送单元(100-1)还具有用于探测至少一个参考辐射(302-1,302-2)的探测器(303)，并且，分别配属于该发射极(201-1,201-2)的第二供给变量(301-1,301-2)与所述至少一个参考辐射(302-1,302-2)有关。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的发送单元(100-1)，其特征在于，所述发送单元具有另外的光学元件(103)、尤其偏转单元(207)，用于将由所述半导体激光器发出的辐射(209-1,209-2)沿着偏转方向(208)偏转到周围环境中。
8.一种激光雷达传感器(100)，所述激光雷达传感器具有根据权利要求1至7中任一项所述的发送单元(100-1)，其中，所述激光雷达传感器还具有接收单元(100-2)，用于接收由周围环境中的对象(104)反射的辐射。
9.一种用于操控具有至少一个半导体激光器(102)的发送单元(100-1)的方法，所述半导体激光器具有至少一个第一发射极，用于发射辐射(209-1,209-2)到周围环境中，所述第一发射极具有第一部分(202)和第二部分(203)，所述方法具有以下步骤：
·借助控制单元(101)对所述第一部分(202)加载以第一供给变量(204)，和
·借助所述控制单元(101)对所述第二部分(203)加载以与所述第一供给变量(204)不同的第二供给变量(205,301-1,301-2)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
·所述半导体激光器(102)具有至少两个发射极(201-1,201-2)，其中，所述至少两个发射极(201-1,201-2)中的每个发射极具有分别配属于该发射极(201-1,201-2)的第一部分(202-1,202-2)和分别配属于该发射极(201-1,201-2)的第二部分(203-1,203-2)，和
·所述至少两个发射极(201-1,201-2)中的每个发射极的各自的第二部分(203-1,203-2)被加载以分别配属于该发射极(201-1,201-2)的第二供给变量(301-1,301-2)，其中，所述第二供给变量(301-1,301-2)尤其是不相同的。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法具有另外的步骤：
·借助探测器(303)探测至少一个参考辐射(302-1,302-2)；
·分析所述至少一个参考辐射(302-1,302-2)，和
·根据该分析对分别配属于该发射极(201-1,201-2)的第二供给变量(301-1,301-2)进行匹配。
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