CN115656983A - 一种用于相干激光雷达的连续激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于相干激光雷达的连续激光器。公开了应用于激光雷达的一种大范围超快反应器，通过正反两次驱动声光互作用晶体后，激光的频率发生2

频移，带宽增加了一倍，测量物体的精细度提升一倍。激光雷达使用该大范围超快反应器的时候，既能保证中心频率的稳定性，也能保证巨量的调谐范围。本发明对声光互作用晶体可以采用二维复用、三维复用等多种方法组合，从而产生多种不同的调谐范围，极大地增强了激光器的调谐的灵活性和复用性。采用本发明的技术，当输出光在频率上具有脉冲特性后，就可以根据时间差来计算被探测物体的距离。当激光器输出光发生了频移，可以有效的和基频噪声区别开，从而有效提高被探测物体的数据的真实性。

Description

一种用于相干激光雷达的连续激光器

技术领域

本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种用于相干激光雷达的连续激光器。

背景技术

激光雷达(Laser detection and ranging，LiDAR)是一种使用激光进行成像、侦查和测距的主动遥感技术，具有分辨力高、精度高、设备轻巧、抗干扰能力强等优势。继1960 年激光发明之后，雷达(radio detection and ranging，Radar)的工作波段和技术很快就被研究者们从微波波段迁移到了光波波段。相比于传统的微波雷达技术，激光雷达工作在波长更短的光频波段， 这使得激光雷达出射波束可以实现更小的发散角与更好的方向性，而更短的工作波长也使雷达探测时可实现的距离分辨力与角分辨力大大提高。激光雷达探测时可获得目标距离、速度、反射率等丰富信息，获取的三维点云数据通常被用于生成高分辨力三维地图或者三维模型，被广泛应用于测绘学、地形学、林业学、 大气物理、激光制导、航空航天、深空探测和无人驾驶等领域。

目前激光雷达的检测机制主要分为两种：非相干检测与相干检测。非相干检测也被称为直接检测，通过直接测量反射光信号强度的变化实现探测，由于探测方式较为简单直接，广泛应用于飞行时间(time of flight, TOF)激光雷达或调幅连续波激光雷达。相干检测使用外差检测的方法，通过测量回波信号与本振信号的频率或相位差实现探测。目前主流的相干检测雷达包括频率调制连续波(frequency modulation continuous wave，FMCW)激光雷达与多普勒测速激光雷达。外差检测方式相比于直接检测方式具有更高的灵敏度，这令相干检测型激光雷达可以工作在更低的发射功率下。

根据调谐器件与激光器的关系，目前实现激光光载波频率调制的方法可以分为内调制技术和外调制技术两种。内调制技术是指调制过程与激光振荡建立同时进行的调制技术，通过调制改变激光腔的谐振参数，从而实现激光器输出频率的变化，主要包括调制谐振腔的光学长度或改变腔内的增益损耗谱位置等方式；外调制技术是指在激光振荡建立之后，在激光出射的光路上使用调制器对光场参数进行调制的技术。

本发明的发明人研究发现：调谐性好的光源大多不够稳定，稳定的光源大多不能宽可调谐。从调制方式的角度而言，内调制方式由于直接改变谐振腔参数，获得大调谐范围相对容易，但是由于激光建立时间的存在会造成输出调频光的瞬时线宽比较宽，导致光源相干长度的减少；或者为了建立起稳定光场就必须限制调谐速率。外调制方式通过声光效应等调谐机制能够在保持种子光的优异特性的同时快速改变光场的瞬时频率，但是由于声光效应本身的工作带宽有限，限制了光源调谐范围的增加，即限制了该系统可实现的最高分辨力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种用于相干激光雷达的连续激光器，通过设计一种高带宽的超快调谐的大范围超快反应器，来使得光源具有长相干性的特性下达到足够宽的频率调谐范围。

一种用于相干激光雷达的连续激光器，包括：连续光源，耦合器，放大器，大范围超快反应器和环形器；其中，

连续光源用于输出连续的单频激光信号；

所述耦合器用于将连续光源输出的信号分为两路，一路作为探测光，一路作为本振光；

所述放大器用于将耦合器输出的探测光进行放大后输出到所述大范围超快反应器；

所述大范围超快反应器用于将输出的连续单频信号转换为频率周期性变化，且在功率上连续的激光信号；

所述大范围超快反应器包括调制信号产生装置、第一准直器、一个或n个正角度频率转换单元，一个或n个负角度频率转换单元和第二准直器；n为整数，n≥2；其中，

调制信号产生装置用于输出调制信号，所述调制信号为按照预定周期变化的使能信号；使能信号包括0和1；

第一准直器用于接收放大器输出的信号，并对接收到的信号准直后输出至正角度频率转换单元的第一声光互作用晶体；

正角度频率转换单元包括第一压电转换器和第一声光互作用晶体；所述第一压电转换器用于接收调制信号产生装置产生的调制信号，并将调制信号转换为声波信号；第一声光互作用晶体用于响应第一压电转换器输入的声波信号；

负角度频率转换单元包括第二压电转换器和第二声光互作用晶体，所述第二压电转换器用于接收调制信号产生装置产生的调制信号，并将调制信号转换为声波信号；第二声光互作用晶体与第一声光互作用晶体并排放置，且方向相差180°，第二声光互作用晶体用于响应第二压电转换器输入的声波信号；正角度频率转换单元与负角度频率转换单元产生的声波信号方向相反；

第二准直器用于将负角度频率转换单元的第二声光互作用晶体输出的信号准直后输出；

第二声光互作用晶体与第一声光互作用晶体的数量相同；

当使能信号为1时，经过一个正角度频率转换单元输出的信号频率增加预定的频 移量

，激光偏转角度增加预定的角度A，经过一个负角度频率转换单元输出的信号频率增 加预定的频移量

，激光偏转角度增加预定的角度-A；

当使能信号为0时，通过大范围超快反应器的光信号频率和方向不改变；

所述环形器用于输出从大范围超快反应器输入的信号，并将接收到的返回光信号从另一端口输出。

进一步的，所述大范围超快反应器包括1个正角度频率转换单元和1个负角度频率转换单元；

第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体并排排列；

当使能信号为1时，大范围超快反应器输出的信号频率增加频移量

。

进一步的，所述大范围超快反应器包括n个正角度频率转换单元，n个负角度频率转换单元；n为整数，n≥2；

所述n个第一声光互作用晶体并排排列，所述n个第二声光互作用晶体并排排列；

当使能信号为1时，经过n个正角度频率转换单元输出的信号频率增加频移量

，激光偏转角度增加预定的角度n×A，经过n个负角度频率转换单元输出的信号频率 增加频移量

，激光偏转角度增加预定的角度-n×A；

当使能信号为1时，大范围超快反应器输出的信号频率增加频移量

。

进一步的，所述大范围超快反应器还包括两个折返镜；折返镜用于将输入的激光改变180°输出，且不与原激光的光路重合；两个折返镜分别为第一折返镜和第二折返镜；

第一折返镜设置在第一声光互作用晶体的外侧，第二折返镜设置在在第二声光互作用晶体的外侧；

第二声光互作用晶体输出的激光经第二折返镜反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体，继而入射到第一折返镜；入射到第一折返镜的激光被反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体后输出至第二准直器。

进一步的，所述大范围超快反应器还包括2m个折返镜；m为整数，m≥2；折返镜用于将输入的激光改变180°输出，且不与原激光的光路重合；

2m个折返镜分为两组，分别是第一折返镜单元和第二折返镜单元；第一折返镜单元包括m个折返镜，分布在第一声光互作用晶体的外侧，第二折返镜单元包括m个折返镜，分布在第二声光互作用晶体的外侧；

第二声光互作用晶体输出的激光经第二折返镜单元的折返镜反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体，继而入射到一个第一折返镜单元的折返镜；入射到第一折返镜单元的一个折返镜的激光被反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体，继而入射到下一个第二折返镜单元的折返镜，直到激光经过所有折返镜后输出至第二准直器。

进一步的，所述折返镜为折返棱镜，或者所述折返镜包括两个夹角为90°的反射镜。

进一步的，所述大范围超快反应器还包括2m个折返镜；m为整数，m≥2；折返镜用于将输入的激光改变180°输出，且不与原激光重合；

2m个折返镜分为两组，分别是第一折返镜单元和第二折返镜单元；第一折返镜单元包括m个折返镜，分布在第一声光互作用晶体的外侧，第二折返镜单元包括m个折返镜，分布在第二声光互作用晶体的外侧；

第二声光互作用晶体输出的激光经第二折返镜单元的折返镜反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体，继而入射到一个第一折返镜单元的折返镜；入射到第一折返镜单元的一个折返镜的激光被反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体，继而入射到下一个第二折返镜单元的折返镜，直到激光经过所有折返镜后输出至第二准直器。

进一步的，当使能信号为1时，大范围超快反应器输出的信号频率增加频移量

。

进一步的，所述第一准直器、第二准直器、n个正角度频率转换单元、n个负角度频率转换单元和2m个折返镜组成一个平面阵列；所述大范围超快反应器包括q个平面阵列；

第一个平面阵列的第二准直器输出的激光输入到第二个平面阵列的第一准直镜，再又第二个平面阵列的第二准直镜输出，直到激光经过所有q个平面阵列。

进一步的，当使能信号为1时，大范围超快反应器输出的信号频率增加频移量

。

本发明公开了一种用于相干激光雷达的连续激光器。研发了应用于激光雷达的一 种大范围超快反应器4，通过正反两次驱动声光互作用晶体后，激光的频率发生2

频移，带 宽增加了一倍，测量物体的精细度提升一倍。激光雷达使用该大范围超快反应器4的时候， 既能保证中心频率的稳定性，也能保证巨量的调谐范围。本发明对声光互作用晶体可以采 用二维复用、三维复用等多种方法组合，从而产生多种不同的调谐范围，极大地增强了激光 器的调谐的灵活性和复用性。采用本发明的技术，当输出光在频率上具有脉冲特性后，就可 以根据时间差来计算被探测物体的距离。当激光器输出光发生了频移，可以有效的和基频 噪声区别开，从而有效提高被探测物体的数据的真实性。

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和优点，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的介绍，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它附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于相干激光雷达的连续激光器的结构框图；

图2为本发明实施例提供的大范围超快反应器的一个结构示意图；

图3为本发明实施例提供的大范围超快反应器的工作原理图；

图4为本发明实施例提供的大范围超快反应器的另一个结构示意图；

图5为本发明实施例提供的大范围超快反应器的再一个结构示意图；

图6为本发明实施例提供的大范围超快反应器的再一结构示意图；

图7为本发明实施例提供的大范围超快反应器的另一结构示意图；

图8为本发明实施例提供的大范围超快反应器的又一结构示意图。

具体实施方式

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的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。

实施例：

如图1-图2所示，本发明提供了一种用于相干激光雷达的连续激光器，包括：连续光源1，耦合器2，放大器3，大范围超快反应器4和环形器5；其中，

连续光源1用于输出连续的单频激光信号；

所述耦合器2用于将连续光源1输出的信号分为两路，一路作为探测光，一路作为本振光；

所述放大器3用于将耦合器2输出的探测光进行放大后输出到所述大范围超快反应器4；

所述大范围超快反应器4用于将输出的连续单频信号转换为频率周期性变化，且在功率上连续的激光信号；

所述大范围超快反应器4包括调制信号产生装置6、第一准直器、一个或n个正角度频率转换单元，一个或n个负角度频率转换单元和第二准直器；n为整数，n≥2；其中，

调制信号产生装置6用于输出调制信号，所述调制信号为按照预定周期变化的使能信号；使能信号包括0和1；

第一准直器用于接收放大器3输出的信号，并对接收到的信号准直后输出至正角度频率转换单元的第一声光互作用晶体；

正角度频率转换单元包括第一压电转换器和第一声光互作用晶体；所述第一压电转换器用于接收调制信号产生装置6产生的调制信号，并将调制信号转换为声波信号；第一声光互作用晶体用于响应第一压电转换器输入的声波信号；

负角度频率转换单元包括第二压电转换器和第二声光互作用晶体，所述第二压电转换器用于接收调制信号产生装置6产生的调制信号，并将调制信号转换为声波信号；第二声光互作用晶体与第一声光互作用晶体并排放置，且方向相差180°，第二声光互作用晶体用于响应第二压电转换器输入的声波信号；正角度频率转换单元与负角度频率转换单元产生的声波信号方向相反。图2中可见，第二声光互作用晶体与第一声光互作用晶体并排放置首尾颠倒，所以通过晶体的光线偏转角度也相反。

第二准直器用于将负角度频率转换单元的第二声光互作用晶体输出的信号准直后输出；

第二声光互作用晶体与第一声光互作用晶体的数量相同；

当使能信号为1时，经过一个正角度频率转换单元输出的信号频率增加预定的频 移量

，激光偏转角度增加预定的角度A，经过一个负角度频率转换单元输出的信号频率增 加预定的频移量

，激光偏转角度增加预定的角度-A；

当使能信号为0时，通过大范围超快反应器4的光信号频率和方向不改变；

所述环形器5用于输出从大范围超快反应器4输入的信号，并将接收到的返回光信号从另一端口输出。

具体的，连续光源1通过耦合器2来分出一小部分功率作为本振光，然后其他部分通过放大器3进行放大，再进入大范围超快反应器4中进行频率调谐，最后输入到环形器5中，并从环形器52端口射出，探测返回光从2端口输入并从3端口输出，返回光和本振光再进入平衡探测器中进行数据采集。

调制信号产生装置6包括信号发生器或调制电路，本发明中，输出0，1信号。其中，0代表不工作，1代表工作。

一个实施例中，如图2所示，所述大范围超快反应器4包括1个正角度频率转换单元和1个负角度频率转换单元；

第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体并排排列；

当使能信号为1时，大范围超快反应器4输出的信号频率增加频移量

。

第一准直器41输出的光进入第一声光互作用晶体43中，当压电转换器的使能信号（调制信号）为0时，光线的0级衍射光在第一声光互作用晶体43中的不发生偏转进入第二声光互作用晶体46中，因为此时使能信号为0，光线在其中继续不发生偏转后输出，进入第二准直器42中。此过程中，因为光线未发生偏转，移频量为0。

当压电转换器的使能信号为1时，光线的1级衍射光在第一声光互作用晶体43中的 发生偏转，此过程中光线的频率发生w的变化，随后进入第二声光互作用晶体46中，此时第 二压电转换器45在下方，产生的声波方向改变，又因为此时使能信号为1，光线在其中反方 向偏转后输出，进入第二准直器42中。在第二声光互作用晶体46中，移频量为

。因此整个 过程频率偏移量为2

。

图3为本发明实施例提供的大范围超快反应器的工作原理图。如图3左部所示，输 入的激光在功率上是连续的并且无变化的P ₀ ，在频率上也是无变化的f ₀ 。如图3右部所示，前 面连续激光通过大范围超快反应器4后，并输入调制信号作用在第一压电转换器44和第二 压电转换器45上，功率上仍然是P ₀ ，未发生变化，但是频率发生调谐，f ₀ 在部分时段变成f ₀ +2

，即产生了2

的移频，并随调制信号产生对应的调谐。此时，输出光虽然在功率上是连续 的，但是频率上已经变成脉冲型的。脉冲宽度的计算，一个声光晶体产生的移频。

需要说明的是，本发明中的声光晶体、晶体均指声光互作用晶体；本发明中的光线均指激光。

在一个实施例中，所述大范围超快反应器4包括n个正角度频率转换单元，n个负角度频率转换单元；n为整数，n≥2；

所述n个第一声光互作用晶体并排排列，所述n个第二声光互作用晶体并排排列；

当使能信号为1时，经过n个正角度频率转换单元输出的信号频率增加频移量

，激光偏转角度增加预定的角度n×A，经过n个负角度频率转换单元输出的信号频率 增加频移量

，激光偏转角度增加预定的角度-n×A；

当使能信号为1时，大范围超快反应器4输出的信号频率增加频移量

。

举例来说，当n=2时，大范围超快反应器4包括第一准直器41、第二准直器42、第一 压电转换器44、第二压电转换器45、压电转换器3、压电转换器4、第一声光互作用晶体43、第 二声光互作用晶体46、声光互作用晶体3和声光互作用晶体4。第一准直器41输出的光进入 第一声光互作用晶体43中，当第一压电转换器44的使能信号为0时，光线的0级衍射光在第 一声光互作用晶体43中的不发生偏转进入第二声光互作用晶体46中，因为此时使能信号为 0，光线在其中继续不发生偏转后进入第二声光互作用晶体46中，同时第二压电转换器45中 的使能信号为0，光线不发生偏转后输出并进入第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶 体中都不发生偏转，最后进入第二准直器42中。此过程中，因为光线未发生偏转，移频量为 0. 当压电转换器的使能信号为1时，光线的1级衍射光在1个第一声光互作用晶体43中的发 生偏转，此过程中光线的频率发生

的变化，随后进入第二个第一声光互作用晶体中，同理 继续偏转后输出，并进入第二声光互作用晶体46中，此时第二压电转换器在下方，产生的声 波方向改变，又因为此时使能信号为1，光线在其中反方向偏转后输出，进入第二个第二声 光互作用晶体中，同理发生反方向偏转后进入第二准直器42中。光线四次通过声光互作用 晶体，因此整个过程频率偏移量为4

。

如图4所示，大范围超快反应器4是由n个第一准直器41、n个第二准直器42、n个第 一压电转换器44…n个第二压电转换器45、n个第一声光互作用晶体43…n个第二声光互作 用晶体46组成。第一准直器41输出的光进入第一声光互作用晶体43中，当第一压电转换器 44的使能信号为0时，光线的0级衍射光在第一声光互作用晶体43中的不发生偏转进入第二 声光互作用晶体46中，因为此时使能信号为0，光线在其中继续不发生偏转后进入第二声光 互作用晶体46中，同时第二压电转换器45中的使能信号为0，光线不发生偏转后输出并进入 剩余的声光互作用晶体都不发生偏转，最后进入第二准直器42中。此过程中，因为光线未发 生偏转，移频量为0. 当压电转换器的使能信号为1时，光线的1级衍射光在第一声光互作用 晶体43中的发生偏转，此过程中光线的频率发生

的变化，随后进入第二声光互作用晶体 46中，同理继续偏转后输出。当进入n+1个声光互作用晶体中，此时n+1压电转换器在下方， 产生的声波方向改变，又因为此时使能信号为1，光线在其中反方向偏转后输出，同理进入 后面的声光互作用晶体中，都发生反方向偏转后进入第二准直器42中。光线2n次通过声光 互作用晶体，因此整个过程频率偏移量为2n

。

如图5所示，在一个实施例中，大范围超快反应器4还包括两个折返镜；折返镜用于将输入的激光改变180°输出，且不与原激光的光路重合；两个折返镜分别为第一折返镜和第二折返镜；

第一折返镜设置在第一声光互作用晶体的外侧，第二折返镜设置在在第二声光互作用晶体的外侧；

第二声光互作用晶体输出的激光经第二折返镜反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体，继而入射到第一折返镜；入射到第一折返镜的激光被反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体后输出至第二准直器。

所述折返镜为折返棱镜，或者所述折返镜包括两个夹角为90°的反射镜。下文以折返棱镜进行说明。第一折返镜为第一折返棱镜，第二折返镜为第二折返棱镜。

如图5所示，大范围超快反应器4是由第一准直器41、第二准直器42、第一压电转换器44、第二压电转换器45、第一折返棱镜、第二折返棱镜、第一声光互作用晶体43和第二声光互作用晶体46组成。该方案的原理是晶体单轴复用。第一准直器41输出的光进入第一声光互作用晶体43中，当压电转换器的使能信号为0时，光线的0级衍射光在第一声光互作用晶体43中的不发生偏转进入第二声光互作用晶体46中，因为此时使能信号为0，光线在其中继续不发生偏转后输出，进入折返棱镜中。此过程中，因为光线未发生偏转，移频量为0. 光线通过折返棱镜后，向下偏移一段位置后反向输出，然后反向进入第二声光互作用晶体46中，同理不发生偏转后进入第一声光互作用晶体43中，也一样不发生偏转进入第二折返棱镜中。然后光线继续想下发生折返并偏移一段位置后反向输出，同理再次通过第一声光互作用晶体43和第二声光互作用晶体46中而不发生偏转，最后输出到第二准直器42中。以上过程光线六次通过声光互作用晶体而不发生偏转，频移量为零。

当压电转换器的使能信号为1时，光线的1级衍射光在第一声光互作用晶体43中的 发生偏转，此过程中光线的频率发生

的变化，随后进入第二声光互作用晶体46中，此时第 二压电转换器45在下方，产生的声波方向改变，又因为此时使能信号为1，光线在其中反方 向偏转后输出，进入第一折返棱镜中，此过程中，因为光线发生两次偏转，移频量为2

光线 通过折返棱镜后，向下偏移一段位置后反向输出，然后反向进入第二声光互作用晶体46中， 同理发生偏转后进入第一声光互作用晶体43中，也一样发生偏转进入第二折返棱镜中。然 后光线继续想下发生折返并偏移一段位置后反向输出，同理再次通过第一声光互作用晶体 43和第二声光互作用晶体46中而发生偏转，最后输出到第二准直器42中。以上过程光线六 次通过声光互作用晶体而发生偏转，频移量为6

。

如图6所示，所述大范围超快反应器4还包括2m个折返镜；m为整数，m≥2；折返镜用于将输入的激光改变180°输出，且不与原激光重合；

2m个折返镜分为两组，分别是第一折返镜单元和第二折返镜单元；第一折返镜单元包括m个折返镜，分布在第一声光互作用晶体的外侧，第二折返镜单元包括m个折返镜，分布在第二声光互作用晶体的外侧；

第二声光互作用晶体输出的激光经第二折返镜单元的折返镜反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体，继而入射到一个第一折返镜单元的折返镜；入射到第一折返镜单元的一个折返镜的激光被反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体，继而入射到下一个第二折返镜单元的折返镜，直到激光经过所有折返镜后输出至第二准直器；

当使能信号为1时，大范围超快反应器4输出的信号频率增加频移量

。

具体的，大范围超快反应器4是由第一准直器41、第二准直器42、第一压电转换器44、第二压电转换器45、m个第一折返棱镜、m个第二折返棱镜、第一声光互作用晶体43和第二声光互作用晶体46组成。该方案的原理是晶体平面复用并且充分利用晶体的同一平面上的尺寸。第一准直器41输出的光进入第一声光互作用晶体43中，当压电转换器的使能信号为0时，光线的0级衍射光在第一声光互作用晶体43中的不发生偏转进入第二声光互作用晶体46中，因为此时使能信号为0，光线在其中继续不发生偏转后输出，进入折返棱镜中。此过程中，因为光线未发生偏转，移频量为0. 光线通过第一折返棱镜后，向下偏移一段位置后反向输出，然后反向进入第二声光互作用晶体46中，同理不发生偏转后进入第一声光互作用晶体43中，也一样不发生偏转进入第二折返棱镜中。然后光线继续想下发生折返并偏移一段位置后反向输出，同理再次通过第一声光互作用晶体43和第二声光互作用晶体46中而不发生偏转，随后进入折返棱镜3中，同理多次来回通过第一声光互作用晶体43和第二声光互作用晶体46中，最后输出到第二准直器42中。以上过程光线2m+1次通过声光互作用晶体而不发生偏转，频移量为零。

当压电转换器的使能信号为1时，光线的1级衍射光在第一声光互作用晶体43中的 发生偏转，此过程中光线的频率发生

的变化，随后进入第二声光互作用晶体46中，此时第 二压电转换器45在下方，产生的声波方向改变，又因为此时使能信号为1，光线在其中反方 向偏转后输出，进入第一折返棱镜中，此过程中，因为光线发生两次偏转，移频量为2

. 光 线通过折返棱镜后，向下偏移一段位置后反向输出，然后反向进入第二声光互作用晶体46 中，同理发生偏转后进入第一声光互作用晶体43中，也一样发生偏转进入第二折返棱镜中。 然后光线继续想下发生折返并偏移一段位置后反向输出，同理光线多次通过第一声光互作 用晶体43和第二声光互作用晶体46中而发生偏转，最后输出到第二准直器42中。以上过程 光线2m+1次通过声光互作用晶体而发生偏转，频移量为（2m+1）×

。

在一个实施例中，如图7所示，所述大范围超快反应器4包括n个正角度频率转换单元，n个负角度频率转换单元；n为整数，n≥2；所述大范围超快反应器4还包括2m个折返镜；m为整数，m≥2；

当使能信号为1时，大范围超快反应器4输出的信号频率增加频移量

。

具体的，大范围超快反应器4是由第一准直器41、第二准直器42、n个第一压电转换器44、n个第二压电转换器45…、m个第一折返棱镜、m个第二折返棱镜、第一声光互作用晶体43、第二声光互作用晶体46…第二声光互作用晶体46n组成。该方案的原理是多个晶体平面复用并且充分利用晶体的同一平面上的尺寸。第一准直器41输出的光进入第一声光互作用晶体43中，当压电转换器的使能信号为0时，光线的0级衍射光在第一声光互作用晶体43中的不发生偏转进入第二声光互作用晶体46中，因为此时使能信号为0，光线在其中继续不发生偏转后输出，随后依次进入剩下的2m只声光互作用晶体都不发生偏转，再进入折返棱镜中。此过程中，因为光线未发生偏转，移频量为0. 光线通过第一折返棱镜后，向下偏移一段位置后反向输出，然后反向进入第二声光互作用晶体46n中，同理不发生偏转后进入第m个第二声光互作用晶体46中，也一样不发生偏转进入剩下的2m只声光互作用晶体后都不发生偏转，随后进入第二折返棱镜中。然后光线继续想下发生折返并偏移一段位置后反向输出，同理再次通过第一声光互作用晶体43和第二声光互作用晶体46中而不发生偏转，随后进入剩下的2m只声光互作用晶体都不发生偏转，再进入折返棱镜3中，同理多次来回通过第一声光互作用晶体43…第二声光互作用晶体46中，最后输出到第二准直器42中。以上过程光线2m+1次通过第二声光互作用晶体46n只而不发生偏转，频移量为零。

当压电转换器的使能信号为1时，光线的1级衍射光在第一声光互作用晶体43中的 发生偏转，此过程中光线的频率发生

的变化，随后进入第二声光互作用晶体46中而发生 偏转后，频率发生

的变化，同理进入剩下的n-2只声光互作用晶体后，一共发生n

的频 移。继续进入第n+1只声光互作用晶体，此时第n+1个压电转换器在下方，产生的声波方向改 变，又因为此时使能信号为1，光线在其中反方向偏转后进入随后的n-1只声光互作用晶体， 此过程光线都是向上偏转并一共发生了n

的频移，然后进入第一折返棱镜中，以上过程 中，因为光线发生2n次偏转，移频量为2n

。光线通过折返棱镜后，向下偏移一段位置后反 向输出，然后反向进入第二声光互作用晶体46中，同理发生偏转后进入第n-1个第二声光互 作用晶体46中，也一样发生偏转进入剩下的n-2只声光互作用晶体，光线都发生向下偏转并 产生了n

频移，随后进入第n只声光互作用晶体并发生向上偏移，再次进入剩下的n-1只声 光互作用晶体，光线也发都发生了向上偏转和一共产生了n

频移。以上从第一折返棱镜到 第二折返棱镜的过程中，光线一共发生2n

的频移。光线进入第二折返棱镜中。然后光线继 续向下发生折返并偏移一段位置后反向输出，同理光线多次通过第一声光互作用晶体43… 第二声光互作用晶体46n中而发生偏转，然后输出到折返棱镜3中，同理光线一共来回2m+1 次通过声光互作用晶体最后输出到第二准直器42中。以上过程光线2m+1次通过第二声光互 作用晶体46而发生偏转，频移量为

。

在一个实施例中，如图8所示，所述第一准直器、第二准直器、n个正角度频率转换单元、n个负角度频率转换单元和2m个折返镜组成一个平面阵列；所述大范围超快反应器4包括q个平面阵列；

第一个平面阵列的第二准直器输出的激光输入到第二个平面阵列的第一准直镜，再又第二个平面阵列的第二准直镜输出，直到激光经过所有q个平面阵列。

当使能信号为1时，大范围超快反应器4输出的信号频率增加频移量

。

具体的，以光线准直输出的光斑直径约为100um为例，一般10mm的声光互作用晶体 可以复用1000次。故该实施列就是在剖面位置进行充分的复用。圆点代表光线射出剖面，╳ 代表光线射入剖面；实线方框代表可视的折返棱镜，虚线方框代表被遮挡不可视的折返棱 镜。A0为准直器输入位置，B0为光线输出位置。折返棱镜一共（m+1）(2m+1)只，一般可用定制 的棱镜阵列来实现特殊需求，实际上只要2片棱镜阵列来完成。因为前面已经对光路传输做 了详细的阐述，这里只简要的说明下。光线从A0处准直器的起始位置射入2n只声光互作用 晶体，在背面经过折返棱镜返回进声光互作用晶体，并依次横向往返多次通过声光互作用 晶体，到达边缘后再下降一个距离后再依次横向往返多次，将整个声光互作用晶体扫描完 后从B0点输出。根据之前实施例阐述，发生频移和未发生频移的光线在声光互作用晶体内 传输路径不同，但是输入输出位置相同。因此光线在整个过程中使能信号为1时发生了

频移，使能信号为零时不发生频移。假设原来单片声光互作用晶 体可以移频100MHz，n取1000，那么现在的频移量到达了约400PHz。

实施本发明，具有如下有益效果：

1）本发明公开了一种用于相干激光雷达的连续激光器，通过设计一种高带宽的超 快调谐的大范围超快反应器4，来使得光源具有长相干性的特性下达到足够宽的频率调谐 范围。本发明研发的大范围超快反应器4，通过正反两次驱动声光互作用晶体后，激光的频 率发生2

频移，带宽增加了一倍，测量物体的精细度提升一倍。

2）通过声光互作用晶体和折返镜的组合，能将普通声光互作用晶体的频移量提升高达40亿倍。

3），激光雷达使用该大范围超快反应器4的时候，既能保证中心频率的稳定性，也能保证巨量的调谐范围。

4），本发明对声光互作用晶体可以采用二维复用、三维复用等多种方法组合，从而产生多种不同的调谐范围，极大地增强了激光器的调谐的灵活性和复用性。

5），采用本发明的技术，当输出光在频率上具有脉冲特性后，就可以根据时间差来计算被探测物体的距离。当激光器输出光发生了频移，可以有效的和基频噪声区别开，从而有效提高被探测物体的数据的真实性。

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)

1.一种用于相干激光雷达的连续激光器，其特征在于，包括：连续光源，耦合器，放大器，大范围超快反应器和环形器；其中，

连续光源用于输出连续的单频激光信号；

所述耦合器用于将连续光源输出的信号分为两路，一路作为探测光，一路作为本振光；

所述放大器用于将耦合器输出的探测光进行放大后输出到所述大范围超快反应器；

所述大范围超快反应器用于将输出的连续单频信号转换为频率周期性变化，且在功率上连续的激光信号；

所述大范围超快反应器包括调制信号产生装置、第一准直器、一个或n个正角度频率转换单元，一个或n个负角度频率转换单元和第二准直器；n为整数，n≥2；其中，

调制信号产生装置用于输出调制信号，所述调制信号为按照预定周期变化的使能信号；使能信号包括0和1；

第一准直器用于接收放大器输出的信号，并对接收到的信号准直后输出至正角度频率转换单元的第一声光互作用晶体；

正角度频率转换单元包括第一压电转换器和第一声光互作用晶体；所述第一压电转换器用于接收调制信号产生装置产生的调制信号，并将调制信号转换为声波信号；第一声光互作用晶体用于响应第一压电转换器输入的声波信号；

负角度频率转换单元包括第二压电转换器和第二声光互作用晶体，所述第二压电转换器用于接收调制信号产生装置产生的调制信号，并将调制信号转换为声波信号；第二声光互作用晶体与第一声光互作用晶体并排放置，且方向相差180°，第二声光互作用晶体用于响应第二压电转换器输入的声波信号；正角度频率转换单元与负角度频率转换单元产生的声波信号方向相反；

第二准直器用于将负角度频率转换单元的第二声光互作用晶体输出的信号准直后输出；

第二声光互作用晶体与第一声光互作用晶体的数量相同；

当使能信号为1时，经过一个正角度频率转换单元输出的信号频率增加预定的频移量

，激光偏转角度增加预定的角度A，经过一个负角度频率转换单元输出的信号频率增加预 定的频移量

，激光偏转角度增加预定的角度-A；

当使能信号为0时，通过大范围超快反应器的光信号频率和方向不改变；

所述环形器用于输出从大范围超快反应器输入的信号，并将接收到的返回光信号从另一端口输出。

2.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的连续激光器，其特征在于，所述大范围超快反应器包括1个正角度频率转换单元和1个负角度频率转换单元；

第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体并排排列；

当使能信号为1时，大范围超快反应器输出的信号频率增加频移量

。

3.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的连续激光器，其特征在于，所述大范围超快反应器包括n个正角度频率转换单元，n个负角度频率转换单元；n为整数，n≥2；

所述n个第一声光互作用晶体并排排列，所述n个第二声光互作用晶体并排排列；

当使能信号为1时，经过n个正角度频率转换单元输出的信号频率增加频移量

， 激光偏转角度增加预定的角度n×A，经过n个负角度频率转换单元输出的信号频率增加频 移量

，激光偏转角度增加预定的角度-n×A；

当使能信号为1时，大范围超快反应器输出的信号频率增加频移量

。

4.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的连续激光器，其特征在于，

所述大范围超快反应器还包括两个折返镜；折返镜用于将输入的激光改变180°输出，且不与原激光的光路重合；两个折返镜分别为第一折返镜和第二折返镜；

第一折返镜设置在第一声光互作用晶体的外侧，第二折返镜设置在在第二声光互作用晶体的外侧；

第二声光互作用晶体输出的激光经第二折返镜反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体，继而入射到第一折返镜；入射到第一折返镜的激光被反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体后输出至第二准直器。

5.根据权利要求1所述的一种用于相干激光雷达的连续激光器，其特征在于，

所述大范围超快反应器还包括2m个折返镜；m为整数，m≥2；折返镜用于将输入的激光改变180°输出，且不与原激光的光路重合；

2m个折返镜分为两组，分别是第一折返镜单元和第二折返镜单元；第一折返镜单元包括m个折返镜，分布在第一声光互作用晶体的外侧，第二折返镜单元包括m个折返镜，分布在第二声光互作用晶体的外侧；

第二声光互作用晶体输出的激光经第二折返镜单元的折返镜反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体，继而入射到一个第一折返镜单元的折返镜；入射到第一折返镜单元的一个折返镜的激光被反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体，继而入射到下一个第二折返镜单元的折返镜，直到激光经过所有折返镜后输出至第二准直器。

6.根据权利要求4-5中任意一项所述的一种用于相干激光雷达的连续激光器，其特征在于，

所述折返镜为折返棱镜，或者所述折返镜包括两个夹角为90°的反射镜。

7.根据权利要求1-3中任一所述的一种用于相干激光雷达的连续激光器，其特征在于，

所述大范围超快反应器还包括2m个折返镜；m为整数，m≥2；折返镜用于将输入的激光改变180°输出，且不与原激光重合；

2m个折返镜分为两组，分别是第一折返镜单元和第二折返镜单元；第一折返镜单元包括m个折返镜，分布在第一声光互作用晶体的外侧，第二折返镜单元包括m个折返镜，分布在第二声光互作用晶体的外侧；

第二声光互作用晶体输出的激光经第二折返镜单元的折返镜反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体，继而入射到一个第一折返镜单元的折返镜；入射到第一折返镜单元的一个折返镜的激光被反射后再次通过第一声光互作用晶体和第二声光互作用晶体，继而入射到下一个第二折返镜单元的折返镜，直到激光经过所有折返镜后输出至第二准直器。

8.根据权利要求7所述的一种用于相干激光雷达的连续激光器，其特征在于，

当使能信号为1时，大范围超快反应器输出的信号频率增加频移量

。

9.根据权利要求7所述的一种用于相干激光雷达的连续激光器，其特征在于，

所述第一准直器、第二准直器、n个正角度频率转换单元、n个负角度频率转换单元和2m个折返镜组成一个平面阵列；所述大范围超快反应器包括q个平面阵列；

第一个平面阵列的第二准直器输出的激光输入到第二个平面阵列的第一准直镜，再又第二个平面阵列的第二准直镜输出，直到激光经过所有q个平面阵列。

10.根据权利要求9所述的一种用于相干激光雷达的连续激光器，其特征在于，

当使能信号为1时，大范围超快反应器输出的信号频率增加频移量

。

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