CN113629486A - 一种外腔激光器 - Google Patents

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CN113629486A CN202010372743.7A CN202010372743A CN113629486A CN 113629486 A CN113629486 A CN 113629486A CN 202010372743 A CN202010372743 A CN 202010372743A CN 113629486 A CN113629486 A CN 113629486A
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Abstract

本申请提供一种外腔可调谐激光器，该外腔激光器包括至少两个激光源，可发射不同参数的激光；与所述激光源对应的准直系统，可调节激光的传播方向保证激光的沿设定路径发射；对应于所述激光源的光调整部，其包括至少两个调整面，可通过反射或衍射方式调整所述至少两束激光，形成至少两束窄线宽的激光；所述光调整部可对所述至少两束激光频率变化率同时调整，如此，实现了即使被探测物与探测设备之间具有一定的相对运动速度，系统也能高效快速准确地获得被探测物的距离信息。

Description

一种外腔激光器
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，特别涉及一种外腔可调谐激光器。
背景技术
半导体激光器就是将载流子注入激光器的有源层，实现粒子数反转，通过谐振腔实现光子共振。载流子的注入主要有电注入和光注入两种方案，其中电注入通过pin结构，将电子注入有源区的导带，空穴注入价带，也称为激光二极管(LD：laser diode)；光注入就是用外来的光源(主要是激光)，将电子从有缘区的价带激发至导带。
半导体很容易做成光子和载流子限制结构，如量子阱、谐振腔，容易实现粒子数反转和光子共振，因此半导体常用来形成激光器发光元件，其具有成本低、体积小、寿命长、并为电注入方式。
在半导体激光器中谐振腔作为重要组成部分，通常被分为外腔和内腔两种，所谓外腔型指将谐振腔延伸至器件外面，用光学反射镜面实现。
外腔通常用于将从诸如具有预定贷款的激光二极管的光源发射的单个波长的光转化为特定波长的光，外腔激光器包含了两种典型的结构Littman-Metcalf型和Littrow型，在测距领域利用这种外腔型激光器可以极大程度降低其他设备或者其他激光器的干扰，实现精确测距的效果。
在使用调频连续光相干探测的技术进行测距的时候，为了抵消多普勒效应，需要分别得到频率在上升期间和下降期间本振光和信号光的干涉得到的拍频。当被测目标与光源有一定的距离时，回波(信号光)与本地光源(本振光)会产生的一定的频率差，为二者的拍频。此处记信号光频率为fS，本振光频率为fL，则可以得到拍频Δf＝|fS-fL|。如图1(为使用调频光测距时，本振光、信号光、和拍频随时间变化的关系)所示，为fS，fL，和Δf随时间的变化关系，图中I线和II线分别表示本振光和信号光的频率fL和fS，III线为拍频的频率Δf。
拍频频率与距离的关系为：
Figure BDA0002478750200000021
Figure BDA0002478750200000022
其中Δf为本振光和信号光干涉后的拍频，Bf为调频光的调频带宽，即光源频率可以调整的范围。fM为调频光调制频率，表示调频光一秒之内可以完成多少次调频回到初始频率，c为测距介质中光速，D为测距目标与测距设备之间的距离。
然而当测距设备和目标之间具有一定相对速度，产生的多普勒频移会影响测距结果。拍频频率从Δf变为Δf±fd在计算中会引入一个两者相对速度影响下的偏移量，在这种情况下发射的光将携带距离和速度两种信息，当需要获得距离和/或速度信息时必须获得上述偏移量，这将严重影响测距效率，为了解决这种在测距过程中设备和目标之间具有一定相对速度的影响的现象，本发明提出了一种可以适应性的测距和/或测速设备。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种外腔激光器，以解决现有的测距和/或测速设备和目标之间具有一定相对速度时效率很低的技术问题。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
本申请实施例提供了外腔可调谐激光器，包括：至少两个激光源，可发射不同参数的激光；
与所述激光源对应的准直系统，可调节激光的传播方向保证激光的沿设定路径发射；
对应于所述激光源的光调整部，其包括至少两个调整面，可通过反射或衍射方式调整所述至少两束激光，形成至少两束窄线宽的激光；
所述光调整部可对所述至少两束激光频率变化率同时调整。
可选地，所述光调整部为闪耀光栅，所述光调整面为闪耀光栅面。
可选地，所述光调整部使用机械运动对至少两束激光频率变化率同时调整。
可选地，所述激光源为两个，对应的所述闪耀光栅包括两个光栅面。
可选地，所述两个光栅面由两个独立的闪耀光栅背对背组合形成。
可选地，所述两个光栅面由两个独立的闪耀光栅由两个独立光栅按照一定的夹角布置为V型或者倒V型结构。
可选地，所述多个发射单元位于相同的光发射模块内。
可选地，所述激光源为多个，所述闪耀光栅包括多个光栅面，所述多个光栅面由多个独立的光栅布置为多边形结构。
可选地，所述机械运动由微驱动器驱动，所述微驱动器器直接或者间接地与所述光调整部连接。
可选地，其特征在于所述微驱动器包含但不限于微机电系统(MEMS)、压电材料驱动器。
可选地，所述微驱动器为一个或者多个，其总数小于所述激光源数量。
可选地，所述压电材料驱动器为压电陶瓷驱动器。
可选地，所述闪耀光栅的光栅面的相对侧设包括散热结构。
本申请的有益效果是：本申请实施例提供的一种外腔可调谐激光器，该探测装置包括：至少两个激光源，可发射不同参数的激光；与所述激光源对应的准直系统，可调节激光的传播方向保证激光的沿设定路径发射；对应于所述激光源的光调整部，其包括至少两个调整面，可通过反射或衍射方式调整所述至少两束激光，形成至少两束窄线宽的激光；所述光调整部可对所述至少两束激光频率变化率同时调整，如此，实现了激光器可产生至少两束不同变化频率的激光，这在设备和目标之间具有一定相对速度时能够快速高效获得目标的速度和/或距离，具体原理将在后续详细叙述，另外利用本方案的设计可以最大程度地提高激光器效率，布局结构也紧凑实现了结构设计简便易于实现的技术效果，节约了部件成本和整个激光器的生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为使用调频光测距时本振光、信号光、和拍频随时间变化的关系；
图2为实际测距得到的拍频图像之一；
图3为实际测距得到的拍频图像之二；
图4为考虑测距设备与目标相对速度时本振光、信号光以及二者频差与调频周期的关系；
图5为Littrow结构外腔半导体激光器结构示意图；
图6为本申请系统的主要组成部分示意图；
图7为本申请实施例提供的一种结构示意图；
图8为本申请实施例提供的另一种结构示意图；
图9为本申请实施例提供的一种光栅驱动方案示意图；
图10为本申请实施例提供的又一种结构示意图；
图11为本申请实施例提供的一种光路示意图；
图12为本申请实施例提供的另一种光栅驱动方案示意图；
图13为本申请实施例提供的又一种结构示意图；
图14为本申请实施例提供的另一种光路示意图；
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
图1为使用调频光测距时，本振光、信号光、和拍频随时间变化的关系。如之前所述，可以通过拍频与距离的关系获得测距目标和设备之间的距离，实际测距得到的拍频图像如图2、图3所示，此处为了进行测距原理的解释，可以由图3获得中频信号频率为795kHz，此处仅仅为一实验条件下获得的数据，不限定具体的信号频率，当获得该中频信号值时，可以进行如下的计算获得目标与设备之间的距离：
Figure BDA0002478750200000061
然而，当测距设备(激光雷达)与目标有一定的相对速度差时，反射回来的信号光会产生多普勒频移，其遵循如下规则：
Figure BDA0002478750200000071
其中fref为反射光的频率，fin为入射光的频率，为测距设备和目标之间的相对速度，c为测距介质中的光速。我们会发现，当测距设备和目标之间有相对速度时，多普勒频移会使信号光的频率产生统一的偏移，其一种结果如图4所示，该图示意了当物体与设备之间存在相对速度时，本振光、信号光以及二者频差与调频周期的关系，其中IV为本振光的频率，V为信号光的频率，VI为信号光产生了多普勒频移之后的频率，VII为没有多普勒频移时的拍频频率，VIII为信号光产生了多普勒频移之后拍频的频率。
可以得到，当测距设备和目标之间具有一定相对速度，产生的多普勒频移会影响测距结果。拍频频率从Δf变为Δf+fd，因而分别计算距离产生的拍频与多普勒频移需要用如下公式：
Figure BDA0002478750200000072
其中Δf+和Δf-分别为测量拍频得到的两个频率分量,Δf+＝Δf+fd,Δf-＝Δf-fd。如果使用一束光完成带有速度目标的测距和测速，则只能在测得Δf+和Δf-两个拍频值后采用上述公式计算，完成一次测距至少需要1/(2fM),严重影响测距效率。如果可以采用两束具有相反调频性质的调频激光同时进行测距。那么，我们可以同时获得上述Δf+＝Δf+fd,Δf-＝Δf-fd，这样测距与测速就不会受到调频周期的限制了。
为了实现对于远距离目标的测距和测速，通常使用半导体外腔窄线宽调频激光器。半导体激光器具有其他激光器所不具备的很多优势，作为一种直接的电-光转换器件，其转换效率高、能耗低、重量小、体积轻、价格便宜、覆盖的波段范围广，是一种非常好的相干光源。同时，由于其谱线较宽，且工作状态相比其他激光器不太稳定，使其在应用在各项干涉技术时需要对光源进行一些额外的处理，其中最主要的一项就是使用闪耀光栅制作外腔，来进行激光选频、激光选模的操作。结合温控、运动控制等手段，使其成为一种稳定、性能良好、功耗低的窄线宽外腔激光器。
Littrow结构的外腔激光器的传统结构如图5所示，激光源101(LD)发出激光之后，由一个(一组)透镜组102进行准直整形，透镜组102可以包含快轴准直透镜1021和快轴准直透镜1022，从而获得准直度较好的光束(图中的105和106示意了两束激光可以通过透镜组102准直之后输出)之后照射在闪耀光栅103上，调整闪耀光栅103的入射角，使其而1级衍射形成反馈光路(图中105和106中带返回箭头的光)，沿着原路返回至激光芯片的内腔，其0级衍射为调频光输出(图中105和106中以一定角度θ输出的带箭头的光)，图中所述的闪耀光栅103与竖直方向夹角为θ0，图中PZT为一种闪耀光栅103的驱动装置。
半导体窄线宽调频激光器的线宽计算公式如下：
Figure BDA0002478750200000081
式中，l为激光管本征腔长(有源区长度)；n为有源区折射率；L为外腔长(包括耦合元件及无源外腔在内的有效光学长度)；R1、R2为激光管两个端面的光强反射率；R3为外反馈元件的光强反射率；Δυ为最后输出激光线宽。
光栅的平移和转动都可以改变输出光的波长。光栅的平移改变了外腔长度，光栅的转动改变了光栅选取的波长。对于输出波长的改变，与腔长的改变量和光栅转动角度之间如下公式所示：
Figure BDA0002478750200000091
Figure BDA0002478750200000092
式中，Δλ为波长的改变量，ΔL为外腔长度的改变量，Δθ为光栅角度的改变量，q为纵模数，d为光栅常数。
本发明中，设计了一种使用Littrow结构的半导体外腔窄线宽调频激光器。这种设计最大的特点是使用一个运动机构控制多个光栅，使得可以容纳多束激光以相同的周期同步进行频率调制。多束激光之间的调频关系可以保持在相同的相位，也可以保持在相反相位或者某个固定的相位差，一方面使得系统的结构简便制造简化，成本减少，另一方面可以至少调整获得两束频率变化率的激光，进而使得整个计算过程极大程度简化，使得测距效率非常高，同时也简化了整个系统的运算。
本设计主要由3个部分组成，分别为光源(激光芯片)、外腔、和外腔控制器组成，其逻辑结构图如图6下所示，图中的光源为半导体激光器(激光芯片)，包括但不仅限于水平腔面发射激光器(又称边发射激光器，Horizontal-Cavity Surface-Emitting LaserHCSEL)、垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)。外腔包括光束的整形装置例如准直系统和光栅(光栅此处可以为闪耀光栅但不进行具体限定，实际为一反射衍射结构的光调整部，形成至少两个调整面)，整形装置包括但不仅限于透镜、透镜组、菲涅尔透镜等，光栅包括但不限于闪耀光栅、体光栅(布拉格光栅)等。每一个激光器发出的光分别由一个准直系统准直整形之后以闪耀角投射到所对应的光栅上，所有的光调整部可以设置为连接的结构，光调整部可对所述至少两束激光频率变化率同时调整，此时所述的光调整部包含至少两个光调整面，例如可以通过光调整部通过固定件受到机械运动的控制，当然其他一些方式例如通过加电压同时改变光调整部的至少两个光调整面的状态实现对于光源发射光的激光频率的调整也可以实现，本方案并不对此进行特别限制，以机械运动方式来调整至少两束激光频率变化率的调整来进行下述的详细说明，准直系统中也可由不同的准直透镜组成，主要是对于激光进行整形和发射角、扩散角和方向的调整，激光源也不做特别的限定，以产生激光为目标。
外腔控制器产生电学控制信号，该信号包括但不限于电流、电压等，通过控制运动机构中的运动部件来带动所有的光调整部产生同步的机械运动。运动部件包括并不限于压电驱动器例如压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics,PZT)驱动器、微型电机(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)等等。涉及的运动包括但不仅限于平移、转动、往复震动等。通过改变光栅的位置和角度，改变外腔的长度与入射角，从而改变激光器输出光的线宽、频率，实现了对于系统要求的窄线宽激光输出的要求，同时满足系统中窄线宽激光频率变化率的调整。
首先以两束激光频率变化率同时调整的方案为例进行说明如图7所示，本实施例描述了同时产生两束相反调频相位的窄线宽调频激光的装置，激光源201可以包含两个同时产生激光的2011激光单元和2012激光单元，经过各自的准直校正系统202包括两个校正单元2021和2022，进而形成可以为平行的激光束，校正子单元也可以进一步包含快轴准直透镜和快轴准直透镜，实际并不限于该形式，两束对向布置的激光源产生的两束激光分别作用于相同的光调整部203可以为光栅更具体地可以为闪耀光栅，闪耀光栅的包括两个光栅面分别接受两束激光，并在其表面形成衍射和/或反射，当光学调整部203可以被例如机械运动所调节时，例如可以绕着某一点进行旋转或者震动，这样就可以同时改变两束激光的特性，如图7两束激光源的腔组合成一个腔，因此在光学调整部进行运动调整时两个激光源所构成的两个窄线宽激光器的腔长均会产生变化，例如图7中之一的腔长变长另一的腔长变短，因此可以得到两束频率变化率相反的激光，这样的两束激光在被探测物与探测装置间具有相对运动速度时，可以一次性获得速度和距离信息或者直接获得距离信息，图8与图7机构上存在一定差异，图8的两束激光源不为对向布置，两者之间可以有一定的夹角，例如可以为90度的夹角，总体的调整原理相类似不再详述。
图7和图8中的光学调整部可以为两个独立的闪耀光栅背对背粘合而成，例如图9所示的粘合后的结构，这两个光栅粘合时也可以不采用背对背贴合方式，例如两者间设置一夹角，夹角范围可以为大于0度小于等于90度形成V型或者倒V型结构，可以保证两个独立的光栅之间具有一定的空间，这在自然散热方面有着独特的优势，然后可以进一步在光栅的相对面，例如背对背时两者贴合处之间设置散热结构例如热管等，解决闪耀光栅因长时间接收激光而受到热影响进一步影响其精度，也可以设置在有夹角时的光栅形成的三角区域之内。
其中，光栅部分需要采用特殊的设计。光栅部分采用两片闪耀光栅背对背贴设形成图9中的调整部3，并通过压电陶瓷驱动器7连接在激光器的固定结构8上，此处示意处两个压电陶瓷驱动器连接光调整部3，当然也可以为一个，也不限于以压电陶瓷驱动器驱动。此处以压电陶瓷驱动器为例说明其工作原理，当压电陶瓷同步收缩或者膨胀时，时两片光栅会同步震动，在一个方向造成腔长+ΔL，角度+Δθ的效果同时，在另一个方向造成腔长-ΔL，角度-Δθ的效果，如此完成两束光的频率按照相反的速率调频。输出波长的改变，与腔长的改变量和光栅转动角度之间如下公式所示，在之前的叙述中也进行了相关的说明，此处不再赘述。
Figure BDA0002478750200000121
Figure BDA0002478750200000122
本实施例描述了同时产生三束相反调频相位的窄线宽调频激光的装置，其结构如图10所示，空间上三个激光源401布置在一个平面上，三个激光源以相同夹角布置当然相邻两激光源夹角也可以不相同，经过各自的准直系统402后，激光被投射到光调整部403上，结合图11和图12所述的光调整部403包括三个光调整面，整个光调整面数量与激光源数量相同，但是所述光调整部403数量小于激光源401数量，这在系统上实现了结构的简便化，所述的光调整部403可以为三个独立的闪耀光栅组合而成，在本实施例中闪耀光栅被组合成三角形结构(三角形区域内可以包含空间，这也在自然散热方面具有很大的优势，对于超过三以上的结构也可以考虑多边形并在多边形内设置空间，保证散热)，但实际应用中并不排除其他组合方式例如星型等，与之前方案类似为了实现系统始终准确高效性，在光调整部403的三角形区域内可以设置散热装置例如热管等，并不限定具体的形式。如图11当需要光调整部403机械转动或者小幅转动时可以在三角形的中心驱动整个光学调整部403的运动，也可以采用如图12所示的在三角形的边或边的延长线甚至其平线上进行驱动，此处并不进行具体的限定。
如图11所示在控制光栅时，我们采用一个三角形的固定支架作为基座，将三面光栅固定于其上，中间固定在一个转轴上。转轴由微电机或者压电陶瓷驱动，导致其可以进行往复旋转，从而带动外部光栅运动，实时改变腔长与光栅入射角。
如图12所示同时控制三个闪耀光栅的运动来对于激光进行调频并且压窄线宽的装置示意图，可以使用扭杆系统，使用两个或者多个叶片驱动中心转轴转动或者使用其他装置，具体实现的驱动器的个数也不限定，当然也可以采用图11和图12两种方式的组合驱动保证整个系统工作的可靠性。
进一步激光源的数量也不限于2个或者三个也可以为更多个，例如图13所示，可以为6个激光源501，在空间同一平面上等夹角或者不等夹角布置，经过各自的准直系统502之后，六组激光被投射至光调整部503上，所述503上包含六个光调整面，可以在六边形内设置散热装置，在六边形内和/或者六边形边或边延长线或平行线设置驱动装置，实现如图14所示的同时调整六个独立激光源激光频率变化率的目的，具体的变化规律和计算方案与之前的实施例也类似，此处并不再赘述。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种外腔可调谐激光器，其特征在于，包括：
至少两个激光源，可发射不同参数的激光；
与所述激光源对应的准直系统，可调节激光的传播方向保证激光的沿设定路径发射；
对应于所述激光源的光调整部，其包括至少两个调整面，可通过反射或衍射方式调整所述至少两束激光，形成至少两束窄线宽的激光；
所述光调整部可对所述至少两束激光频率变化率同时调整。
2.根据权利要求1所述的外腔可调谐激光器，其特征在于，所述光调整部为闪耀光栅，所述光调整面为闪耀光栅面。
3.根据权利要求1所述的外腔可调谐激光器，其特征在于，所述光调整部使用机械运动对至少两束激光频率变化率同时调整。
4.根据权利要求2所述的外腔可调谐激光器，其特征在于，所述激光源为两个，对应的所述闪耀光栅包括两个光栅面。
5.根据权利要求4所述的外腔可调谐激光器，其特征在于，所述两个光栅面由两个独立的闪耀光栅背对背组合形成。
6.根据权利要求4所述的外腔可调谐激光器，其特征在于，所述两个光栅面由两个独立的闪耀光栅由两个独立光栅按照一定的夹角布置为V型或者倒V型结构。
7.根据权利要求2所述的外腔可调谐激光器，其特征在于，所述激光源为多个，所述闪耀光栅包括多个光栅面，所述多个光栅面由多个独立的光栅布置为多边形结构。
8.根据权利要求3所述的外腔可调谐激光器，其特征在于，所述机械运动由微驱动器驱动，所述微驱动器器直接或者间接地与所述光调整部连接。
9.根据权利要求8所述的外腔可调谐激光器，其特征在于所述微驱动器包含但不限于微机电系统(MEMS)、压电材料驱动器。
10.根据权利要求8所述的外腔可调谐激光器，其特征在于，所述微驱动器为一个或者多个，其总数小于所述激光源数量。
11.根据权利要求9所述的外腔可调谐激光器，其特征在于，所述压电材料驱动器为压电陶瓷驱动器。
12.根据权利要求2或5所述的外腔可调谐激光器，其特征在于，所述闪耀光栅的光栅面的相对侧设包括散热结构。
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