CN114122908A - 一种窄脉宽的脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄脉宽激光电路布局方法、脉冲激光器，该脉冲激光器包括电路基板、激光芯片、电容和场效应管，场效应管、电容和激光芯片均电连接于电路基板上，电容在场效应管与激光芯片之间，沿场效应管与激光芯片之间的间隙的延伸方向排列。根据本发明实施例的技术方案，对脉冲激光器中的结构部件的布局进行优化，减小场效应管与激光芯片之间的距离，从而使其中的结构部件的布局更加紧凑，有利于降低脉冲激光器的环路电感，进而使脉冲激光器的放电速度较快，脉冲激光器工作时输出的脉冲脉宽得到压缩，即实现了一种窄脉宽的脉冲激光器。进一步地，将其应用到激光雷达中时，可实现较大的点云密度、较高的测距精度、较好的重复性以及较大的极限测距距离。

Description

一种窄脉宽的脉冲激光器

技术领域

本发明涉及脉冲激光器技术领域，尤其涉及一种窄脉宽的脉冲激光器。

背景技术

激光雷达是一种主动式传感器，其利用特定波长的激光信号对物体表面进行扫描来获取物体表面的相关特性信息。与普通微波雷达相比，激光雷达具有分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强、体积小以及质量轻等优点。目前，激光雷达大都采用脉冲激光器作为发射端的飞行时间法（TimeOfFlight，TOF）的测距方案，而对于所有类型的激光雷达，极限测距距离、点云密度、测距精度以及测量重复性都是表征其探测性能的重要参数。

采用脉冲激光器作为发射端的激光雷达中，脉冲激光器的出光脉冲脉宽是限制激光雷达点云密度、测距精度、测量重复性以及极限测距距离的参数之一。现有的激光脉冲器的脉宽较宽，其对应的激光雷达的点云密度较低、测距精度和重复性较差且极限测距距离较短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供了一种窄脉宽激光电路布局方法、脉冲激光器。

本发明提供一种窄脉宽激光电路布局方法、脉冲激光器，该脉冲激光器包括电路基板、激光芯片、电容和场效应管，所述场效应管、所述电容和所述激光芯片均电连接于所述电路基板上；

所述电容在所述场效应管与所述激光芯片之间，沿所述场效应管与所述激光芯片之间的间隙的延伸方向排列。

在具体实施例中，所述电路基板包括第一导体层、第二导体层以及设置在所述第一导体层和所述第二导体层之间的绝缘层，所述第一导体层和所述第二导体层通过所述绝缘层中的过孔电连接；

沿所述第一导体层指向所述第二导体层的方向，所述绝缘层的厚度H满足：H≤0.075mm。

进一步地，所述第一导体层包括面状的第一导体，所述第二导体层包括面状的第二导体；

所述场效应管、所述电容和所述激光芯片均电连接于所述第一导体上，且所述场效应管、所述电容和所述激光芯片在所述电路基板上的垂直投影均位于所述第一导体内；沿所述场效应管与所述激光芯片之间的间隙的延伸方向，所述激光芯片的宽度W1、所述电容的总宽度W2、所述场效应管的宽度W0以及所述第一导体的宽度W之间的关系满足：W1≤W0，W2≤W0，W0≤W≤1 .1W0。

进一步地，沿所述场效应管与所述激光芯片之间的间隙的延伸方向，两个相邻的所述电容之间的间隙W3满足：100μm≤W3≤120μm。

进一步地，沿所述场效应管指向所述激光芯片的方向，所述电容与所述场效应管之间的间隙L1满足：300μm≤L1≤360μm。

进一步地，沿所述场效应管指向所述激光芯片的方向，所述电容与所述激光芯片之间的间隙L2满足：200μm≤L2≤240μm。

进一步地，沿垂直于所述电路基板所在平面的方向，所述电容的高度小于所述场效应管的高度，且所述激光芯片的高度小于所述场效应管的高度。

进一步地，所述电容包括裸片电容，所述激光芯片包括裸片激光芯片；所述脉冲激光器还包括金线；在背离所述电路基板的一侧，所述裸片电容与所述裸片激光芯片之间通过所述金线连接。

进一步地，所述裸片电容为薄膜硅电容；和/或所述场效应管为氮化镓增强模式功率晶体管。

进一步地，所述脉冲激光器还包括绝缘胶；所述绝缘胶覆盖所述裸片电容、所述裸片激光芯片、所述金线、所述场效应管以及所述电路基板的裸露区域，以实现绝缘保护。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例提供的窄脉宽的脉冲激光器包括电路基板、激光芯片、电容和场效应管，场效应管、电容和激光芯片均电连接于电路基板上，电容在场效应管与激光芯片之间，且沿场效应管与激光芯片之间的间隙的延伸方向排列，对脉冲激光器中的结构部件的布局进行了优化。具体地，通过设置将电容在场效应管与激光芯片之间排成一列，而非排成一行，能够使各结构部件的布局更加紧凑，其布局越紧凑，环路电感越小，放电越快，脉宽越窄。由此，有利于降低脉冲激光器的环路电感，使脉冲激光器的放电速度较快，脉冲激光器工作时输出的光脉冲脉宽被压缩，从而实现了一种窄脉宽的脉冲激光器。将该脉冲激光器应用到激光雷达中时，有利于提升激光雷达的点云密度、测距精度、测量重复性以及极限测距距离。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本发明实施例提供了一种窄脉宽的激光电路布局方法、脉冲激光器，该脉冲激光器包括电路基板、激光芯片、电容和场效应管，场效应管、电容和激光芯片。

所述场效应管、电容和所述激光芯片均电连接于所述电路基板上；

所述电容在场效应管与所述激光芯片之间，沿所述场效应管与所述激光芯片之间的间隙的延伸方向200排列，即所述电容沿场效应管与所述激光芯片之间的窄条形的间隙排成一列。

其中，100代表由所述场效应管指向所述激光芯片的方向，也可理解为所述场效应管与所述激光芯片之间的间隙的宽度方向，200也可理解为所述场效应管与所述激光芯片之间的间隙的长度方向。

所述电容、激光芯片和所述场效应管依次串联；

对应的，所述脉冲激光器的总环路电感由所述电容的等效串联电感（EquivalentSeries Inductance，ESL）（即L1）、所述电路基板中的电路走线的寄生电感L_PCB（即L2）、所述激光芯片的寄生电感L_LASER（即L3）以及所述场效应管的寄生电感LFET（即L4）四部分串联组成，总环路电感的大小等于上述四部分电感叠加的总和，即L1+L2+L3+L4。

其中，所述电容的等效串联电感ESL、所述激光芯片的寄生电感L_LASER、所述场效应管的寄生电感LFET这三部分寄生电感的大小与对应的各结构部件的选型和排布相关。在选型受限的情况下，通过优化各结构部件的排布，能够减小上述三部分电感。

其中，电路基板中的电路走线的寄生电感L_PCB的计算公式为：

式中，μr代表电路基板中绝缘层的相对磁导率，H为电路基板中接地层与连线层之间的距离，L为电路走线的长度，W代表电路走线的宽度。

由上式可知，在电路基板的材料可选范围有限的前提下，可以针对其中的接地层与连线层之间的距离H、电路走线的长度L和电路走线的宽度W三个参数进行改进，例如减小电路基板中接地层与连线层之间的距离H、将激光芯片、电容和场效应管紧密排布以减小电路走线的长度L、增加电路走线的宽度W，其均有利于减小电路基板中的电路走线的寄生电感L_PCB，从而减小脉冲激光器的总环路电感。

在具体的实施例中，脉冲激光器输出的脉冲的脉宽越窄，其极限脉冲重复频率越高，为了保证脉冲激光器发出的脉冲不会互相混叠，脉冲激光器的脉冲重频需要保证两个独立的脉冲完全分离，显然相邻脉冲的最小间距受到其本身脉宽的限制。

针对点云密度，所述脉冲激光器的每一个脉冲（即发射脉冲）即对应着激光雷达的一个测距点，因而其重频的高低直接影响着激光雷达的点频，也即点云密度。其具体关系为：脉宽越窄，重频越高，点云密度越大。

针对测量精度和重复性，所述脉冲激光器输出的脉冲的脉宽越窄，其计时精度越高。基于TOF原理的激光雷达，其测量精度和重复性由发射脉冲和回波脉冲的计时精度来决定，任何的计时系统，均会有一定程度的随机误差，即设定的计时点（一个固定的测量幅值）存在一定程度的波动，对于相同水平的误差，可以看到对于窄脉宽的脉冲，其最终导致的计时误差远小于宽脉宽的脉冲。

所有脉冲的积分值均为1，对应到实际的激光脉冲，意味着所有脉冲的总功率/平均功率相同，可以理解为使用了相同的激光管及其对应的供电模块，即在除脉宽之外的其他参数相同的情况下进行比较。可见，窄脉宽的脉冲明显具有更高的峰值功率，进而令整个激光雷达具有更高的理论极限测距距离。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例提供的窄脉宽的脉冲激光器包括电路基板、激光芯片、电容和场效应管，场效应管、电容和激光芯片均电连接于电路基板上，电容在场效应管与激光芯片之间，且沿场效应管与激光芯片之间的间隙的延伸方向排列，对脉冲激光器中的结构部件的布局进行了优化。具体地，通过设置将电容在场效应管与激光芯片之间排成一列，而非排成一行，能够使各结构部件的布局更加紧凑，其布局越紧凑，环路电感越小，放电越快，脉宽越窄。由此，有利于降低脉冲激光器的环路电感，使脉冲激光器的放电速度较快，脉冲激光器工作时输出的光脉冲脉宽被压缩，从而实现了一种窄脉宽的脉冲激光器。将该脉冲激光器应用到激光雷达中时，有利于提升激光雷达的点云密度、测距精度、测量重复性以及极限测距距离。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种窄脉宽的脉冲激光器，其特征在于，包括电路基板、激光芯片、电容和场效应管，所述场效应管、所述电容和所述激光芯片均电连接于所述电路基板上；所述电容在所述场效应管与所述激光芯片之间，沿所述场效应管与所述激光芯片之间的间隙的延伸方向排列。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光器，其特征在于，所述电路基板包括第一导体层、第二导体层以及设置在所述第一导体层和所述第二导体层之间的绝缘层，所述第一导体层和所述第二导体层通过所述绝缘层中的过孔电连接；沿所述第一导体层指向所述第二导体层的方向，所述绝缘层的厚度H满足：H≤0 .075mm。

3.根据权利要求2所述的脉冲激光器，其特征在于，所述第一导体层包括面状的第一导体，所述第二导体层包括面状的第二导体；所述场效应管、所述电容和所述激光芯片均电连接于所述第一导体上，且所述场效应管、所述电容和所述激光芯片在所述电路基板上的垂直投影均位于所述第一导体内；沿所述场效应管与所述激光芯片之间的间隙的延伸方向，所述激光芯片的宽度W1、所述电容的总宽度W2、所述场效应管的宽度W0以及所述第一导体的宽度W之间的关系满足：W1≤W0，W2≤W0，W0≤W≤1 .1W0。

4.根据权利要求3所述的脉冲激光器，其特征在于，沿所述场效应管与所述激光芯片之间的间隙的延伸方向，两个相邻的所述电容之间的间隙W3满足：100μm≤W3≤120μm。

5.根据权利要求1所述的脉冲激光器，其特征在于，沿所述场效应管指向所述激光芯片的方向，所述电容与所述场效应管之间的间隙L1满足：300μm≤L1≤360μm。

6.根据权利要求1所述的脉冲激光器，其特征在于，沿所述场效应管指向所述激光芯片的方向，所述电容与所述激光芯片之间的间隙L2满足：200μm≤L2≤240μm。

7.根据权利要求1所述的脉冲激光器，其特征在于，沿垂直于所述电路基板所在平面的方向，所述电容的高度小于所述场效应管的高度，且所述激光芯片的高度小于所述场效应管的高度。

8.根据权利要求1-7任一项所述的脉冲激光器，其特征在于，所述电容包括裸片电容，所述激光芯片包括裸片激光芯片；所述脉冲激光器还包括金线；在背离所述电路基板的一侧，所述裸片电容与所述裸片激光芯片之间通过所述金线连接。

9.根据权利要求8所述的脉冲激光器，其特征在于，所述裸片电容为薄膜硅电容；和/或所述场效应管为氮化镓增强模式功率晶体管。

10.根据权利要求8所述的脉冲激光器，其特征在于，还包括绝缘胶；所述绝缘胶覆盖所述裸片电容、所述裸片激光芯片、所述金线、所述场效应管以及所述电路基板的裸露区域，以实现绝缘保护。