CN219456487U - 一种空间合束装置及激光雷达发射系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种空间合束装置及激光雷达发射系统，空间合束装置包括呈阶梯状排列的多路激光组件和慢轴准直镜，所述激光组件包括激光器、位于所述激光器发光侧的快轴准直镜以及位于所述快轴准直镜出光侧的反射镜；所述快轴准直镜用于对所述激光器发射的激光束进行快轴准直；所述反射镜用于反射所述激光束，各路所述激光组件的所述反射镜射出的所述激光束形成激光束阵列，所述激光束阵列的各条激光束相互平行且共面；慢轴准直镜设置于所述激光束阵列的出光方向，用于对各条所述激光束进行慢轴准直并输出。本申请解决了现有合束装置的内部结构复杂且体积较大的问题。

Description

一种空间合束装置及激光雷达发射系统

技术领域

本申请涉及光学器件技术领域，特别涉及一种空间合束装置及激光雷达发射系统。

背景技术

激光合束技术是一个改善光束质量、增加输出功率、提高功率密度的过程，常用的激光合束方法有空间合束、偏振合束和波长合束，其中，空间合束为将多个半导体激光器以一排或者多排组成半导体激光器阵列，各个半导体激光器发出的激光光束经过快轴准直透镜和慢轴准直镜的准直后输出，每一个半导体激光器都需要配置一个快轴准直透镜和一个慢轴准直镜，极大的增加了准直镜的数量，使得合束装置的内部结构变得复杂，合束装置的体积变大。

实用新型内容

本申请实施例提供一种空间合束装置及激光雷达发射系统，解决了现有合束装置的内部结构复杂且体积较大的问题。

本实用新型是这样实现的，一种空间合束装置，包括呈阶梯状排列的多路激光组件和慢轴准直镜，所述激光组件包括激光器、位于所述激光器发光侧的快轴准直镜以及位于所述快轴准直镜出光侧的反射镜；所述快轴准直镜用于对所述激光器发射的激光束进行快轴准直；所述反射镜用于反射所述激光束，各路所述激光组件的所述反射镜射出的所述激光束形成激光束阵列，所述激光束阵列的各条激光束相互平行且共面；所述慢轴准直镜设置于所述激光束阵列的出光方向，用于对各条所述激光束进行慢轴准直并输出。

在其中一个实施例中，所述激光束阵列的各条所述激光束从光源到输出位置的光程相同。

在其中一个实施例中，所述激光束阵列的各条激光束的快轴方向相同；所述激光束阵列的各条激光束的慢轴方向相同。

在其中一个实施例中，所述激光束阵列所在的平面与所述慢轴方向平行。

在其中一个实施例中，所述反射镜的反射面与所述激光束的光轴呈45°，所述激光束经所述反射面反射后旋转90°射出。

在其中一个实施例中，多路所述激光组件的所述反射镜包括平面反射镜和/或反射棱镜。

在其中一个实施例中，所述空间合束装置还包括阶梯热沉，多路所述激光组件呈阶梯状排列在所述阶梯热沉的各级台阶上。

在其中一个实施例中，所述阶梯热沉的各级台阶在高度方向上等间距排列。

在其中一个实施例中，沿所述激光束阵列的出光方向，相邻两个所述激光组件的所述反射镜之间的距离相等。

在其中一个实施例中，多路所述激光组件的所述激光器为半导体激光器单管。

在其中一个实施例中，各路所述激光组件的所述激光器发射的激光束的波长相同。

在其中一个实施例中，多路所述激光组件的数目为两路或两路以上。

本申请还提供了一种激光雷达发射系统，包括如上述任一实施例所述的空间合束装置。

本申请提供的空间合束装置及激光雷达发射系统的有益效果在于：与现有技术相比，本申请的多路激光组件共用一个慢轴准直镜对多个反射镜射出的激光束进行慢轴准直，实现了对多路激光组件中的激光器发出的激光光束的空间合束，获得高功率的合束效果，由于合束装置中只有一个慢轴准直镜，极大的减少了空间合数装置中使用的慢轴准直镜的数量，简化了合束装置的内部结构，减小了合束装置的体积。

附图说明

图1是本申请实施例提供的空间合束装置的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的空间合束装置的多路激光组件的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的空间合束装置的光路图；

图4是本申请实施例提供的空间合束装置在近场探测面探测的光斑示意图；

图5是本申请实施例提供的空间合束装置中的一路激光组件的激光器发出的激光束在远场探测面探测的光斑示意图；

图6是本申请实施例提供的空间合束装置在远场探测面探测的光斑示意图。

附图标记：1、激光组件；11、激光器；12、快轴准直镜；13、反射镜；

2、慢轴准直镜；3、阶梯热沉。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

还需说明的是，本申请实施例中以同一附图标记表示同一组成部分或同一零部件，对于本申请实施例中相同的零部件，图中可能仅以其中一个零件或部件为例标注了附图标记，应理解的是，对于其他相同的零件或部件，附图标记同样适用。

本申请实施例提供一种空间合束装置及激光雷达发射系统，解决了现有合束装置的内部结构复杂且体积较大的问题。

空间合束是一种十分有效的半导体激光器合束技术。其主要优点在于，每个激光器光源相互之间独立，可以通过增加激光器光源的数目来提高合束后的输出功率，通过对每一路的激光光束整形，使其紧密堆叠，可以提高合束后的远场光束质量。

参考图1-图2，本申请实施例提供的空间合束装置包括呈阶梯状排列的多路激光组件1和慢轴准直镜2，激光组件1包括激光器11、位于激光器11发光侧的快轴准直镜12以及位于快轴准直镜12出光侧的反射镜13；快轴准直镜12用于对激光器11发射的激光束进行快轴准直；反射镜13用于反射激光束，各路激光组件1的反射镜13射出的激光束形成激光束阵列，激光束阵列的各条激光束相互平行且共面；慢轴准直镜2设置于激光束阵列的出光方向，用于对各条激光束进行慢轴准直并输出。

通过以上设置，通过多路激光组件1在空间上排列堆叠，缩小了空间合束装置的尺寸；每路激光组件1具有单独的快轴准直镜12对激光器11发射的激光束进行快轴准直，以形成准直激光输出；多路激光组件1的激光束经阶梯排列的反射镜13反射后合成一列激光束阵列，经过同一个慢轴准直镜2进行慢轴准直并输出，快轴光束的光束轮廓是比较小的，由于慢轴准直镜2对近场光束的发散，使快轴光束传播形成一个合束光斑，实现了对激光束阵列中的多个激光束的空间合束，从而提高了远场光束的亮度和功率。采用空间合束的方法，并不会改变两路激光束的快轴、慢轴光束参数积，快轴慢轴的发散角也不会变化，而且光束的偏振态也不会发生改变。

整个空间合束装置中只有一个慢轴准直镜2，极大地减少了慢轴准直镜2的数目，不仅缩小了空间合束装置的体积，而且省去了多个慢轴准直镜2的安装工作量，降低了成本，提高了空间合束装置的组装效率。同时，相较于空间合束装置中设置多套光学系统而出现的由于光学元件结构设计、加工精度、和装调准性等因素所导致的光束性能下降，本申请实施例的空间合束装置只采用一个慢轴准直镜2，极大地提高了合束过程的准确性与可靠性，使系统稳定性进一步增加。

其中，多路激光组件1的激光器11可以是半导体激光器单管；也可以是TO封装(Transistor Outline Package)的半导体激光二极管，简称为半导体激光二极管。

在一些实施例中，多路激光组件1的激光器11均相同，且各路激光组件1的激光器11发射的激光束的波长相同。这样可以使各路激光组件1的激光器11发射的激光束在远场形成的光斑保持一致，有利于多个光斑重合在一起增加光斑亮度，提高合束质量；而且各路激光组件1的激光器11的设置方式和占用的空间大小也相同，可以使各路激光组件1的激光器11采用同一步骤一次性安装好，有利于各路激光组件1的激光器11快速的安装，进而提高空间合束装置的组装效率。当然，在其他实施例中，激光器11也可以替换为发射不同波长的激光束、不同数目或不同尺寸规格的半导体激光二极管。

每路激光组件1中，快轴准直镜12位于半导体激光器单管的出光侧，用于对激光束进行快轴准直，在一些实施例中，快轴准直镜12可以是柱透镜、透镜、光纤、棱镜中的任意一种。

需要说明的是，以X-Y-Z三维坐标系作为参照，上述各个元件的堆叠方式为：多路激光组件1沿Y轴方向依次排列，且具有沿Z轴方向的高度差，每一路激光组件1包括的激光器11、快轴准直镜12和反射镜13沿X轴方向依次排列。

由于多路激光组件1的反射镜13反射的激光束射出的方向均一致，因此，当多个反射镜13在Z轴方向上具有高度差时，每一个反射镜13反射出的激光束的射出方向上都不会有遮挡物，这样可以确保激光束顺利的射出不会有损耗；各路激光组件1的反射镜13沿Y轴方向排列，且反射镜13反射的方向一致，这样各个反射镜13反射出的激光束就会平行且共面，从而确保激光束阵列的每一个激光束都可以照射到同一个慢轴准直镜2上进行慢轴准直再输出，有利于提高多路激光束的合束效果，使得合束后的激光束形成的光斑亮度增强。同时也能确保合束装置中只安装一个慢轴准直镜2就能实现合束效果，极大地减小了合束装置的体积。

在一些实施例中，本申请实施例的激光组件1可以有两路，参考图1-图2，两路激光组件1呈台阶状排列，这样可以将两路激光组件1的激光器11发射的激光束进行空间合束，使得两路激光束的辐射功率叠加，辐射功率增强，两路激光束在远场产生的光斑重合在一起，提高光斑的亮度。

在一些实施例中，本申请实施例的激光组件1也可以多于两路，在空间布局上只需要按照原有的排布方式增加几路激光组件1的设置即可，组装更加灵活方便，可以满足更多路的激光合束。

为了便于说明，本申请实施例以设置两路激光组件1，对两路激光束进行合束为例进行说明。

在一些实施例中，参考图3，激光束阵列的各条激光束从光源到输出位置的光程相同。这样才能保证照射到慢轴准直镜2之前，各路激光组件1的激光束的快轴光束束腰、发散角是相同的，各路激光组件1的激光束彼此的光束参数无差异，因为空间合束不改变光束的传播特性，所以只能在空间排布的过程中，使各路激光组件1的激光束的光斑大小，光斑形态保持一致。

需要说明的是，将图3中位于左侧的激光组件1称为第一激光组件1，将图3中位于右侧的激光组件1称为第二激光组件，图3中的L1表示从第一激光组件的激光器11到反射镜13中心的光程距离，L2表示从第二激光组件的激光器11到其对应的反射镜13中心的光程距离，L3表示两反射镜13中心的距离，L1＝L2+L3。

L4表示反射镜13中心到近场探测面的距离，一般可以设置为1mm～10mm，L5表示近场探测面到远场探测面的距离，一般可以设置为10m～200m。从近场探测面观察到的光斑形状可以参考图4，每一路激光组件1的激光束在近场产生的光斑都相同，都可以参考图4。

从远场探测面观察到的光斑形状可以参考图5-图6，经过慢轴准直镜2准直后的激光束的光斑的慢轴长度大于快轴长度，形成椭圆形光斑。从图5和图6可以看出，合束之后的激光束形成的光斑的形状

与合束之前的各条激光束产生的的光斑形状相同，也就是空间合束装5置并不会改变各路激光组件1的激光束的传播性质，远场光斑形成三

条节光斑，和激光器11的发光面形状一致，第一激光组件的激光束和第二激光组件的激光束的远场光斑完全重合，从远场探测单条激光束的非相干照度为0.0185W/cm2，从远场探测合束之后的激光束的非相

干照度为0.0371W/cm2，可以看出，非相干照度提高2倍，也就是合0束之后激光束的辐射功率增大，形成的光斑亮度增强。

在一些实施例中，参考图3，激光束阵列的各条激光束的快轴方向X相同；激光束阵列的各条激光束的慢轴方向Y相同。也就是各条激光束的光轴方向平行，这样可以使各路激光组件1在布局排列时更

加整齐紧凑，不仅能够提高多路激光组件1的组装效率，而且也能减5少多路激光组件1组装在一起之后占用的空间大小，有利于减小空间

合束装置的体积。

需要说明的是，各路激光组件1的激光器11在设置时保持出光面互相平行，且各个激光器11对应的快轴准直镜12的准直方向与激光

器11发射的激光束的光轴方向相同，这样就可以使各条激光束的快轴0方向X相同。由于多路激光束共用一个慢轴准直镜2，因此，只要确

保各个反射镜13反射的激光束互相平行且共面就可以使各条激光束的慢轴方向Y相同，具体可以在设置反射镜13时保持各个反射镜13的反射面互相平行。

在一些实施例中，激光束阵列所在的平面与慢轴方向Y平行。这5样能够确保激光束阵列的各条激光束俊照射在同一个慢轴准直镜2上

进行慢轴准直，确保激光合束的实现，而且还能够使各条激光束形成的光斑沿同一方向排列，在远场探测面上重合在一起，提高激光束的辐射功率和光斑亮度。

在一些实施例中，多路激光组件1的反射镜13可以均为平面反射镜13，也可以均为反射棱镜，还可以一部分是平面反射镜，另一部分是反射棱镜，可以根据实际情况进行设置，本申请实施例不作具体限定。其中，反射棱镜可以是三角形的反射棱镜，也可以是内反射直角棱镜、外反射直角棱镜等光学镀膜反射元件。

在一些实施例中，参考图2和图3，反射镜13的反射面与激光束的光轴呈45°，激光束经反射面反射后旋转90°射出。这样可以使慢轴准直镜2的设置空间宽敞没有阻碍，而且也能使多路激光组件1和慢轴准直镜2的空间排布更加整齐，不会增大多路激光组件1和慢轴准直镜2所占用的安装空间，不会增大空间合束装置的体积，有利于空间合束装置的小型化。

示例的，图3中左侧的第一激光组件的激光器11沿X轴方向射出激光束，经相对应的快轴准直镜12准直后射入反射镜13，经反射镜13反射后旋转90°，沿与X轴垂直的方向也就是Y轴方向射出。同样地，图3中右侧的第二激光组件的激光器11沿X轴方向射出激光束，经相对应的快轴准直镜12准直后射入反射镜13，经反射镜13反射后旋转90°，沿与X轴垂直的方向也就是Y轴方向射出。

在一些实施例中，参考图2，空间合束装置还包括阶梯热沉3，多路激光组件1呈阶梯状排列在阶梯热沉3的各级台阶上。通过阶梯热沉3可以有效的将激光组件1的激光器11发射激光束时产生的热量散发出去，同时也能通过阶梯热沉3为多路激光组件1的空间排布提供良好的布局结构，使得多路激光组件1的激光束能够互不遮挡的射出到同一个慢轴准直镜2上，从而实现多条激光束的合束。

需要说明的是，将多路激光组件1设置在阶梯热沉3的各级台阶上形成一个整体，这样空间合束装置就由两个模块组成，即多路激光组件1和阶梯热沉3组成的整体模块，以及慢轴准直镜2形成的模块，在制作时可以分开生产制作，然后再组装在一起形成空间合束装置，这样能够极大地降低空间合束装置的复杂度和装调难度，提高空间合束装置的生产组装效率，同时降低了空间合束装置的总体造价，使高功率激光的获得更为便利。

具体的，阶梯热沉3采用金属材料制作，激光组件1的激光器11为LD芯片，将LD芯片使用金锡焊接于阶梯热沉3的各级台阶上，焊接环境可以是真空。LD芯片也可以通过半导体贴片键合设备贴片放置在阶梯热沉3上。

在一些实施例中，阶梯热沉3的各级台阶在高度方向上等间距排列。也就是各级台阶的高度相同，这样能够方便制作阶梯热沉3，而且通过调节阶梯热沉3的高度可以调节沿Y轴方向上排列的相邻两个反射镜13在阶梯热沉3高度方向上的距离，可以确保两个反射镜13反射出的激光束互相不遮挡，全部照射到慢轴准直镜2上，而且每条激光束不会相互影响，并不改变单个激光束的光束质量，提高了远场光斑的亮度和功率。

需要说明的是，本申请实施例的阶梯热沉3的各级台阶的长度可以与设置在该级台阶上的激光组件1在X轴方向上的长度一致，阶梯热沉3的各级台阶的宽度可以设置为相同，且各级台阶的宽度与激光组件1的快轴准直镜12和反射镜13的宽度保持一致，这样各路激光组件1在各级台阶上设置时直接与台阶侧面抵接即可，不需要对激光组件1在台阶上的设置位置进行反复调整，极大地降低了激光组件1在台阶上安装的操作难度，提高了激光组件1的安装速度。

具体的，当阶梯热沉3的各级台阶的高度相同时，设置在各级台阶上的反射镜13反射出的激光束之间的距离就相等，也就是激光束阵列的各条激光束之间的距离相等，这样可以使各条激光束在远场形成的光斑重合在一起，提高光斑的亮度，增强激光束的辐射功率。

在一些实施例中，沿激光束阵列的出光方向，相邻两个激光组件1的反射镜13之间的距离相等。这样能够在设置多路激光组件1时保持任意相邻两个反射镜13之间的距离相等，由于多路激光组件1在阶梯热沉3上设置遵循光程相等的原则，因此可以便于快速计算出相邻两个激光器11发射的激光束从激光器11到对应的反射镜13中心的距离，从而快速确定出激光器11在台阶上设置的位置，提高激光组件1的安装效率。

在一些实施例中，可以将多个空间合束装置组合在一起，得到空间合束系统，其中，多个空间合束装置输出的多个激光束阵列所在的平面相互平行，这样就可以获得不同形式的合束后的激光束分布，进而得到不同排列形式的光斑。

综上所述，本申请实施例的方案原理简单、各部分配置合理、可实施性强、调节难度低、灵活性高，在保证合束后的功率效果的基础上，大大降低了对于激光光束进行空间合束的调节难度，易于扩展激光组件1的激光器11数量，满足多路激光束的空间合束需求。

本申请实施例还提供了一种激光雷达发射系统，包括上述任一实施例的空间合束装置。上述空间合束装置可以应用于激光雷达发射系统，用于将多个激光器11发射的激光束合束，增强激光雷达发射系统发射的激光束的辐射功率。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种空间合束装置，其特征在于，包括：

多路激光组件(1)，呈阶梯状排列，所述激光组件(1)包括激光器(11)、位于所述激光器(11)发光侧的快轴准直镜(12)以及位于所述快轴准直镜(12)出光侧的反射镜(13)；

所述快轴准直镜(12)用于对所述激光器(11)发射的激光束进行快轴准直；

所述反射镜(13)用于反射所述激光束，各路所述激光组件(1)的所述反射镜(13)射出的所述激光束形成激光束阵列，所述激光束阵列的各条激光束相互平行且共面；

慢轴准直镜(2)，设置于所述激光束阵列的出光方向，用于对各条所述激光束进行慢轴准直并输出。

2.根据权利要求1所述的空间合束装置，其特征在于，

所述激光束阵列的各条所述激光束从光源到输出位置的光程相同。

3.根据权利要求2所述的空间合束装置，其特征在于，

所述激光束阵列的各条激光束的快轴方向(X)相同；

所述激光束阵列的各条激光束的慢轴方向(Y)相同。

4.根据权利要求3所述的空间合束装置，其特征在于，

所述激光束阵列所在的平面与所述慢轴方向(Y)平行。

5.根据权利要求4所述的空间合束装置，其特征在于，

所述反射镜(13)的反射面与所述激光束的光轴呈45°，所述激光束经所述反射面反射后旋转90°射出。

6.根据权利要求5所述的空间合束装置，其特征在于，

多路所述激光组件(1)的所述反射镜(13)包括：平面反射镜，和/或，反射棱镜。

7.根据权利要求1-3、5-6任一项所述的空间合束装置，其特征在于，

还包括阶梯热沉(3)，多路所述激光组件(1)呈阶梯状排列在所述阶梯热沉(3)的各级台阶上。

8.根据权利要求7所述的空间合束装置，其特征在于，

所述阶梯热沉(3)的各级台阶在高度方向上等间距排列。

9.根据权利要求4所述的空间合束装置，其特征在于，

沿所述激光束阵列的出光方向，相邻两个所述激光组件(1)的所述反射镜(13)之间的距离相等。

10.根据权利要求4所述的空间合束装置，其特征在于，

多路所述激光组件(1)的所述激光器(11)为半导体激光器单管；

和/或，各路所述激光组件(1)的所述激光器(11)发射的激光束的波长相同。

11.根据权利要求1-3、5-6、8-10任一项所述的空间合束装置，其特征在于，

多路所述激光组件(1)的数目为两路或两路以上。

12.一种激光雷达发射系统，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的空间合束装置。