CN115084979A - 一种激光光源装置及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学系统领域，具体公开一种激光光源装置及激光雷达，激光光源装置包括激光器、环形器、放大器、回射器和至少一个调制器，激光器产生种子光，使种子光入射至环形器，环形器将种子光向调制器发射出。环形器出射的种子光依次地通过至少一个调制器的每一调制器，进一步入射至回射器，调制器用于控制通过光的通断，将通过光变换为脉冲光，回射器将调制器的出射光反射回至调制器，使反射光逆向依次地通过至少一个调制器的每一调制器。环形器将来自调制器的脉冲光出射至放大器，放大器将脉冲光的能量放大，使经过能量放大的脉冲光发射出。本发明中需要调制的光可以两次通过同一调制器，可以减少使用的调制器数量，能够降低系统成本与复杂度。

Description

一种激光光源装置及激光雷达

技术领域

本发明涉及光学系统领域，特别是涉及一种激光光源装置。本发明还涉及一种激光雷达。

背景技术

在相干测风激光雷达中，激光光源要产生窄线宽、高能量的脉冲光。光学系统将激光光源产生的光束发射出并接收大气回波，由于光的传输速度稳定，通过对大气回波的高速采集，可在时间序列上对不同距离处的大气回波进行区分，进而反演计算出不同距离的大气风场信息。

现有技术中，激光光源采用分级放大的方式实现输出所需要的脉冲光，激光光源包括种子激光器、调制器和放大器，先由种子激光器产生窄线宽的高稳定性连续光，能量较低，再经过调制器将连续光变为脉冲光。脉冲光由放大器进行能量放大，并保持较小的频谱宽度，从而得到高脉冲能量的窄线宽脉冲光。

然而，由于现有的调制器对连续光的截止率有限，调制器即使在关闭状态下，依然有微弱的连续光通过而进入放大器，导致在需要的高能量脉冲产生后依然存在一定功率强度的拖尾光，且持续时间较长。而大气回波信号微弱，拖尾光在光学系统的发射端面产生的后向反射干扰信号的强度有可能超过大气回波信号的强度，会导致后续采集中无法检测到大气回波信号。因此，为了提高对种子光的截止效率，得到更好的脉冲光，需要将两个甚至多个调制器进行串联使用，使种子光两次或者多次经过调制器，提高脉冲光后方的截止率，尽量削弱在高能量脉冲后方的拖尾光强度，避免拖尾光在光学系统的发射端面形成的后向反射光干扰对大气回波的正常检测。

但是，调制器属于光学系统的核心器件，价格较高，使用多个调制器会显著地提高系统成本。另外，同时控制多个调制器也增加了系统复杂度，降低了整体系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光光源装置，可以使用较少的调制器，能够降低系统成本与复杂度。本发明还公开一种激光雷达。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光光源装置，包括激光器、环形器、放大器、回射器和至少一个调制器，所述激光器用于产生种子光，并使得所述种子光入射至所述环形器，所述环形器用于将所述种子光向所述调制器发射出，以及将来自所述调制器的脉冲光出射至所述放大器；

所述环形器出射的所述种子光依次地通过所述至少一个调制器的每一所述调制器，并进一步入射至所述回射器，所述调制器用于控制通过光的通断，将通过所述调制器的光变换为脉冲光，所述回射器用于将所述调制器的出射光反射回至所述调制器，使反射光逆向依次地通过所述至少一个调制器的每一所述调制器，所述放大器用于将脉冲光的能量放大，使得经过能量放大的脉冲光发射出。

优选地，所述至少一个调制器包括至少两个所述调制器，至少两个所述调制器依次串联在所述环形器与所述回射器之间。

优选地，各个所述调制器对通过自身的光的截断时刻一致。

优选地，所述环形器包括第一环形器至第N环形器，所述回射器包括第一回射器至第N回射器，N为大于等于2的正整数；

所述第一环形器用于将所述种子光发射至所述调制器，第二环形器至第N环形器的任一环形器用于将来自本环形器的前一环形器的光发射至所述调制器，第一环形器至第N-1环形器的任一环形器用于将所述调制器出射的、与本环形器对应的出射光发射至本环形器的下一环形器，第N环形器用于将所述调制器出射的、与本环形器对应的出射光发射至所述放大器；

从第i环形器发射至所述调制器的光通过所述调制器后，入射至第i回射器，所述第i回射器用于将光反射回至所述调制器，使反射光逆向通过所述调制器后，返回至所述第i环形器，i∈[1,N]。

优选地，所述调制器包括N对通光口，从所述第i环形器发射至所述调制器的光入射至第i对通光口的其中一个通光口，光进入所述调制器后从所述第i对通光口的另一个通光口发射出而入射至所述第i回射器。

优选地，所述调制器包括用于使光进入所述调制器或者使光从所述调制器发射出的通光口，在所述调制器的通光口内侧设置有准直组件，或者，在所述调制器的通光口的外侧设置有所述准直组件，所述准直组件用于将进入所述调制器的光进行准直以及将从所述调制器出射的光进行会聚。

优选地，所述回射器包括准直组件和反射元件，所述准直组件用于将入射至所述回射器的光进行准直并使准直后的光入射至所述反射元件，以及将来自所述反射元件的光进行会聚，所述反射元件用于将光反射至所述准直组件。

优选地，所述激光器和所述环形器通过光纤连接，所述环形器和所述调制器通过光纤连接，所述调制器和所述回射器通过光纤连接，所述环形器和所述放大器通过光纤连接。

一种激光雷达，包括以上所述的激光光源装置。

优选地，还包括光学系统、耦合器和探测器，所述光学系统用于将所述激光光源装置出射的脉冲光向外界发射出以及收集来自外界的回波，所述耦合器用于将本振光和回波混合，所述探测器用于将本振光和回波的混合光进行光电转换。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种激光光源装置包括激光器、环形器、放大器、回射器和至少一个调制器，激光器产生种子光，并使得种子光入射至环形器，环形器用于将种子光向调制器发射出。环形器出射的种子光依次地通过至少一个调制器的每一调制器，并进一步入射至回射器，调制器用于控制通过光的通断，将通过调制器的光变换为脉冲光，回射器将调制器的出射光反射回至调制器，使反射光逆向依次地通过至少一个调制器的每一调制器。环形器将来自调制器的脉冲光出射至放大器，放大器用于将脉冲光的能量放大，使得经过能量放大的脉冲光发射出。本发明的激光光源装置中，可以使需要调制的光两次通过同一调制器，通过同一调制器可以对光进行两次调制，那么可以减少使用的调制器数量，使用较少的调制器，能够降低系统成本与复杂度。

本发明提供的一种激光雷达，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种激光光源装置的示意图；

图2为本发明又一实施例提供的一种激光光源装置的示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种激光雷达的示意图。

说明书附图中的附图标记包括：

激光器-101，环形器-102，调制器-103，回射器-104，放大器-105，第一环形器-106，第二环形器-107，第一回射器-108，第二回射器-109，光学系统-110，耦合器-111，探测器-112，信号采集板-113，工控机-114。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本实施例提供的一种激光光源装置的示意图，如图所示，激光光源装置包括激光器101、环形器102、放大器105、回射器104和至少一个调制器103，所述激光器101用于产生种子光，并使得所述种子光入射至所述环形器102，所述环形器102用于将所述种子光向所述调制器103发射出，以及将来自所述调制器103的脉冲光出射至所述放大器105；

所述环形器102出射的所述种子光依次地通过所述至少一个调制器103的每一所述调制器103，并进一步入射至所述回射器104，所述调制器103用于控制通过光的通断，将通过所述调制器103的光变换为脉冲光，所述回射器104用于将所述调制器103的出射光反射回至所述调制器103，使反射光逆向依次地通过所述至少一个调制器103的每一所述调制器103，所述放大器105用于将脉冲光的能量放大，使得经过能量放大的脉冲光发射出。

本实施例的激光光源装置通过对种子光进行调制以及进行光能量放大，而输出所需要的脉冲光。环形器102将种子光向调制器103发射出，环形器102出射的种子光依次地通过至少一个调制器103的每一调制器103，并进一步入射至回射器104；回射器104将调制器103的出射光反射回至调制器103，使反射光逆向依次地通过至少一个调制器103的每一调制器103，使光正向和逆向两次通过每一调制器103，由每一调制器103对通过光进行调制。

本实施例的激光光源装置中，需要调制的光可以两次通过同一调制器，通过同一调制器可以对光进行两次调制，那么可以减少使用的调制器数量，可以使用较少的调制器，能够降低系统成本与复杂度。

可选的，种子光可以为能量较低的连续光，优选为种子光的频谱宽度很窄，以满足进行相干测量的要求。本实施例中，对用于产生种子光的激光器101的结构、类型不做限定。

本实施例中，对调制器103的结构、类型不做限定，只要能够实现控制通过光的通断以将通过光变换为脉冲光即可。可选的，调制器103可包括通光口和设置在内部的光学晶体，光从调制器103的一通光口进入，通过光学晶体后从调制器103的另一通光口出射，由光学晶体对通过光进行调制。可选的，调制器103可以是但不限于声光调制器、电光调制器或者磁光调制器。

优选的，调制器103可包括通光口，在所述调制器103的通光口内侧设置有准直组件，所述准直组件用于将进入所述调制器103的光进行准直以及将从所述调制器103出射的光进行会聚。准直组件将从通光口进入的光进行准直以及将从通光口出射的光进行会聚，使得从通光口进入调制器103的光变为平行光而入射至光学晶体，透过光学晶体后的光经过准直组件后会聚而发射出。这种实施方式下，是将准直组件集成在了调制器103的内部，可以使得系统结构紧凑。或者，可以在调制器103的通光口的外侧设置准直组件，即在调制器103的外侧另外设置准直组件。本实施例中，对准直组件的光学结构不做限定，准直组件可包括但不限于透镜或者棱镜。

本实施例中，对调制器103的数量不做限定。可选的，激光光源装置可包括一个调制器103。优选的本激光光源装置中，所述至少一个调制器103可包括至少两个所述调制器103，至少两个所述调制器103依次串联在所述环形器102与所述回射器104之间。由环形器102出射的种子光依次地通过各个调制器103，经过回射器104反射后，返回光逆向地再次依次地通过各个调制器103。在实际应用中，可以结合系统的成本要求、对所需要脉冲光的要求以及对系统的结构要求确定调制器103的数量。

优选的，在环形器102和回射器104之间依次串联至少两个调制器103的实施方式中，各个所述调制器103对通过自身的光的截断时刻一致，使得光依次地通过各个调制器103时，各个调制器103对光的截断时刻一致，能够得到所需要的脉冲光并且通过各个调制器103的作用，能够提高脉冲光后方的截止率，尽量削弱脉冲光后方的拖尾光强度。

在又一种可选实施方式中，所述环形器102包括第一环形器至第N环形器，所述回射器104包括第一回射器至第N回射器，N为大于等于2的正整数；所述第一环形器用于将所述种子光发射至所述调制器103，第二环形器至第N环形器的任一环形器用于将来自本环形器的前一环形器的光发射至所述调制器103，第一环形器至第N-1环形器的任一环形器用于将所述调制器103出射的、与本环形器对应的出射光发射至本环形器的下一环形器，第N环形器用于将所述调制器103出射的、与本环形器对应的出射光发射至所述放大器105；从第i环形器发射至所述调制器103的光通过所述调制器103后，入射至所述第i回射器，所述第i回射器用于将光反射回至所述调制器103，使反射光逆向通过所述调制器103后，返回至所述第i环形器，i∈[1,N]。

本实施方式中，可以使N路光束并列通过同一调制器103，每一路光束可以正向、逆向两次通过同一调制器103，可以使来自激光器101的需要调制的光2N次通过同一调制器103，通过调制器103对光进行2N次调制，从而提高脉冲光后方的截止率，并且可以减少使用的调制器数量，可以使用较少的调制器，能够降低系统成本与复杂度。

示例性的可参考图2，图2为又一实施例提供的一种激光光源装置的示意图，其中是以环形器102包括第一环形器106、第二环形器107以及回射器104包括第一回射器108、第二回射器109为例进行说明的。结合图所示，激光器101发出的种子光出射至第一环形器106，第一环形器106将种子光发射至调制器103，光通过调制器103后入射至第一回射器108，第一回射器108将光反射回至调制器103，使返回光逆向通过调制器103后返回至第一环形器106，第一环形器106将来自调制器103的光发射至第二环形器107。第二环形器107将光发射至调制器103，使光依次经过调制器103、第二回射器109后返回至第二环形器107，第二环形器107将来自调制器103的光发射至放大器105，使得激光器101发出的光可以4次通过调制器103。

可选的本实施方式中，调制器103可设置至少两对通光口，可设置N对通光口，调制器103的第i对通光口的每一通光口用于通过来自第i环形器的光，使相应光进入调制器103或者从调制器103发射出，i∈[1,N]。具体从第i环形器发射至所述调制器103的光入射至第i对通光口的其中一个通光口，光进入所述调制器103后从所述第i对通光口的另一个通光口发射出而入射至所述第i回射器。

可以理解的是，图2所示的激光光源装置中包括第一环形器106、第二环形器107、第一回射器108和第二回射器109的结构仅用于举例说明本激光光源装置的工作原理，并不用于限定本实施方式的激光光源装置，在实际应用中，可以结合系统的成本要求、对所需要脉冲光的要求以及对系统的结构要求确定环形器的数量、回射器的数量，并相应地设计光路结构。另外，在图2所示的激光光源装置中是以包括一个调制器103为例进行说明的，可以理解的是，在实际应用中可以将在环形器102和回射器104之间依次串联至少两个调制器103的实施方式以及多路光束能够并列通过同一调制器103的实施方式相结合，以达到提高对所形成脉冲光后方的截止率并且使用较少的调制器的目的。

优选的在以上各实施方式中，调制器103还用于对通过光进行频移，对通过光叠加一个频率变化。在种子光依次地通过每一调制器103后，输出的脉冲光的频移量是各次通过调制器103时通过光的频移量的叠加结果。通过使生成的脉冲光产生频移，使得脉冲光经过外界大气后获得的回波能够与本振光混合而发生干涉。

本实施例中，对回射器104的结构不做限定，可选的，回射器104可包括准直组件和反射元件，所述准直组件用于将入射至所述回射器104的光进行准直并使准直后的光入射至所述反射元件，以及将来自所述反射元件的光进行会聚，所述反射元件用于将光反射至所述准直组件。可选的，准直组件可采用但不限于透镜或者棱镜，反射元件可采用但不限于反射镜。

可选的，所述激光器101和所述环形器102可通过光纤连接，所述环形器102和所述调制器103通过光纤连接，所述调制器103和所述回射器104通过光纤连接，所述环形器102和所述放大器105通过光纤连接。各个器件之间通过光纤连接，可以减少光在传输过程中的能量损失。

可选的，所述环形器102至少包括第一端口、第二端口和第三端口，从第一端口进入的光从第二端口发射出，从第二端口进入的光从第三端口发射出。本激光光源装置使用环形器实现光路空间复用的作用。

本实施例中，对放大器105的结构不做限定，只要能够实现对脉冲光的能量放大即可。优选的，放大器105对脉冲光的长度改变小，对脉冲光的频谱宽度改变小。

相应的，本实施例还提供一种激光雷达，包括以上所述的激光光源装置。

本实施例的激光雷达所使用的激光光源装置中，可以使需要调制的光两次通过同一调制器，通过同一调制器可以两次对光进行调制，那么可以减少使用的调制器数量，使用较少的调制器，能够降低系统成本与复杂度。

可选的，激光雷达还可包括光学系统、耦合器和探测器，所述光学系统用于将所述激光光源装置出射的脉冲光向外界发射出以及收集来自外界的回波，所述耦合器用于将本振光和回波混合，所述探测器用于将本振光和回波的混合光进行光电转换。

本实施例中，对用于将激光光源装置出射的脉冲光向外界发射出以及收集来自外界的回波的光学系统的结构不做限定。可选的，光学系统中用于将激光光源装置出射的脉冲光向外界发射出的光路，和用于收集来自外界的回波的光路可以是同轴，这种结构可以使得激光雷达的结构紧凑，体积较小。或者，光学系统中用于将激光光源装置出射的脉冲光向外界发射出的光路和用于收集来自外界的回波的光路也可以是不同轴。

可选的，本振光可以是激光光源装置的激光器产生的种子光，激光器产生的种子光分出一路入射至耦合器，与回波进行混合。

优选的，所述激光光源装置、所述光学系统和所述耦合器可通过环形器连接。示例性的可参考图3，图3为一实施例提供的一种激光雷达的示意图，如图所示，激光光源装置的放大器105、光学系统110和耦合器111通过环形器102连接。激光器101与耦合器111连接，使激光器101产生的种子光分出一路能入射至耦合器111。

探测器112与耦合器111连接，探测器112将耦合器111输出的本振光和回波的混合光进行光电转换，将光信号转换为电信号。信号采集板113对探测器112生成的电信号进行高速模数采集，同时在内部完成回波的累加与快速傅里叶变换，将频谱信号传输至工控机114，工控机114根据数据完成大气风场的反演计算。

优选的，激光光源装置与环形器102可通过光纤连接，环形器102与光学系统110可通过光纤连接，环形器102与耦合器111通过光纤连接，耦合器111与探测器112通过光纤连接。各个器件之间通过光纤连接可以减少光能量损失。

以上对本发明所提供的一种激光光源装置及激光雷达进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光光源装置，其特征在于，包括激光器、环形器、放大器、回射器和至少一个调制器，所述激光器用于产生种子光，并使得所述种子光入射至所述环形器，所述环形器用于将所述种子光向所述调制器发射出，以及将来自所述调制器的脉冲光出射至所述放大器；

所述环形器出射的所述种子光依次地通过所述至少一个调制器的每一所述调制器，并进一步入射至所述回射器，所述调制器用于控制通过光的通断，将通过所述调制器的光变换为脉冲光，所述回射器用于将所述调制器的出射光反射回至所述调制器，使反射光逆向依次地通过所述至少一个调制器的每一所述调制器，所述放大器用于将脉冲光的能量放大，使得经过能量放大的脉冲光发射出。

2.根据权利要求1所述的激光光源装置，其特征在于，所述至少一个调制器包括至少两个所述调制器，至少两个所述调制器依次串联在所述环形器与所述回射器之间。

3.根据权利要求2所述的激光光源装置，其特征在于，各个所述调制器对通过自身的光的截断时刻一致。

4.根据权利要求1所述的激光光源装置，其特征在于，所述环形器包括第一环形器至第N环形器，所述回射器包括第一回射器至第N回射器，N为大于等于2的正整数；

所述第一环形器用于将所述种子光发射至所述调制器，第二环形器至第N环形器的任一环形器用于将来自本环形器的前一环形器的光发射至所述调制器，第一环形器至第N-1环形器的任一环形器用于将所述调制器出射的、与本环形器对应的出射光发射至本环形器的下一环形器，第N环形器用于将所述调制器出射的、与本环形器对应的出射光发射至所述放大器；

从第i环形器发射至所述调制器的光通过所述调制器后，入射至第i回射器，所述第i回射器用于将光反射回至所述调制器，使反射光逆向通过所述调制器后，返回至所述第i环形器，i∈[1,N]。

5.根据权利要求4所述的激光光源装置，其特征在于，所述调制器包括N对通光口，从所述第i环形器发射至所述调制器的光入射至第i对通光口的其中一个通光口，光进入所述调制器后从所述第i对通光口的另一个通光口发射出而入射至所述第i回射器。

6.根据权利要求1所述的激光光源装置，其特征在于，所述调制器包括用于使光进入所述调制器或者使光从所述调制器发射出的通光口，在所述调制器的通光口内侧设置有准直组件，或者在所述调制器的通光口的外侧设置有所述准直组件，所述准直组件用于将进入所述调制器的光进行准直以及将从所述调制器出射的光进行会聚。

7.根据权利要求1所述的激光光源装置，其特征在于，所述回射器包括准直组件和反射元件，所述准直组件用于将入射至所述回射器的光进行准直并使准直后的光入射至所述反射元件，以及将来自所述反射元件的光进行会聚，所述反射元件用于将光反射至所述准直组件。

8.根据权利要求1-7任一项所述的激光光源装置，其特征在于，所述激光器和所述环形器通过光纤连接，所述环形器和所述调制器通过光纤连接，所述调制器和所述回射器通过光纤连接，所述环形器和所述放大器通过光纤连接。

9.一种激光雷达，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的激光光源装置。

10.根据权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，还包括光学系统、耦合器和探测器，所述光学系统用于将所述激光光源装置出射的脉冲光向外界发射出以及收集来自外界的回波，所述耦合器用于将本振光和回波混合，所述探测器用于将本振光和回波的混合光进行光电转换。

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