一種基于脈沖半導(dǎo)體激光器的高重頻光源模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光雷達(dá)系統(tǒng)的光源模塊技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于脈沖半導(dǎo)體激 光器的高重頻光源模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光雷達(dá)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于三維城市建模、地形勘測(cè)、大氣探測(cè)、無(wú)人導(dǎo)航車等領(lǐng) 域，作為一種高精度、主動(dòng)式的遙感設(shè)備，激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)速度和探測(cè)距離主要決定于 脈沖激光器的性能指標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)外主流的激光雷達(dá)設(shè)備均采用固體激光器，其輸出頻率 可達(dá)200KHZ，峰值功率到百瓦，且具有良好的光束質(zhì)量，但固體激光器具有價(jià)格昂貴、壽命 短、光電轉(zhuǎn)換效率低、維護(hù)困難、體積大等缺點(diǎn)。相比之下，價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、體積小巧的 半導(dǎo)體激光器則具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，然而半?dǎo)體激光器的固有諧振腔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其出射光 束質(zhì)量不理想，存在能量不對(duì)稱及快、慢軸光束發(fā)散角差異大的特點(diǎn)，而且半導(dǎo)體激光器的 封裝結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且一般不安裝散熱措施，因而輸出頻率一般不超過50KHz，因此難以應(yīng) 用于高速、遠(yuǎn)距離探測(cè)的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明提供一種基于脈沖半導(dǎo)體激光器的高重頻光 源模塊，通過采用偏振合束方法，將N個(gè)獨(dú)立的脈沖半導(dǎo)體激光器的出射光束耦合進(jìn)一根 多模光纖中，并按一定時(shí)序驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器周期性發(fā)射激光束，能夠有效改善半導(dǎo)體激 光器的光束質(zhì)量，獲得能量呈平頂分布的圓出射光束，增大最遠(yuǎn)可探測(cè)距離，本技術(shù)方案具 有能量利用率高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用靈活等突出特點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：
[0005] -種基于脈沖半導(dǎo)體激光器的高重頻光源模塊，采用偏振合束方法將N個(gè)獨(dú)立的 脈沖半導(dǎo)體激光器的出射光束耦合進(jìn)一根多模光纖中，并按一定時(shí)序驅(qū)動(dòng)N個(gè)脈沖半導(dǎo)體 激光器周期性發(fā)射激光束；其中，N多4。
[0006] 其中，所述偏振合束方法，具體為：是將N個(gè)獨(dú)立的脈沖半導(dǎo)體激光器分為2組發(fā) 射單元；第1發(fā)射單元的脈沖半導(dǎo)體激光器的出射光依次經(jīng)過快軸柱透鏡、慢軸柱透鏡準(zhǔn) 直，然后經(jīng)小直角棱鏡反射后通過半波片，然后透射通過偏振合束棱鏡；第2發(fā)射單元的脈 沖半導(dǎo)體激光器的出射光依次經(jīng)過快軸柱透鏡、慢軸柱透鏡準(zhǔn)直，然后經(jīng)小直角棱鏡反射 后，反射通過偏振合束棱鏡；從偏振合束棱鏡透射出來的光束和從偏振合束棱鏡反射出來 的光束兩者經(jīng)大直角棱鏡反射后，通過聚焦透鏡耦合進(jìn)一根多模光纖中。
[0007] 其中，所述第1發(fā)射單元中任意一個(gè)脈沖半導(dǎo)體激光器與第2發(fā)射單元中對(duì)應(yīng)的 脈沖半導(dǎo)體激光器到多模光纖的光程相等，且任意兩個(gè)脈沖半導(dǎo)體激光器之間的光程差小 于 90mm〇
[0008] 其中，每個(gè)脈沖半導(dǎo)體激光器均配有獨(dú)立的窄脈沖驅(qū)動(dòng)電源，并通過外界驅(qū)動(dòng)控 制裝置為窄脈沖驅(qū)動(dòng)電源提供一定時(shí)序的外觸發(fā)信號(hào)，用于分時(shí)驅(qū)動(dòng)N個(gè)脈沖半導(dǎo)體激光 器周期性發(fā)射激光束，或同步驅(qū)動(dòng)N個(gè)脈沖半導(dǎo)體激光器周期性發(fā)射激光束。
[0009] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和增益效果：
[0010] 1).本發(fā)明采用偏振合束方法，將N(N彡4)個(gè)獨(dú)立的脈沖半導(dǎo)體激光器的出射光 束耦合進(jìn)一根多模光纖中，并按一定時(shí)序驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器周期性發(fā)射激光束，能夠有效 提高光束質(zhì)量，獲取能量呈平頂分布的圓出射光束，該方法具有能量利用率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、 結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)；2).通過分時(shí)驅(qū)動(dòng)N個(gè)脈沖半導(dǎo)體激光器周期性發(fā)射激光束，提高光源模 塊的輸出頻率，提升激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)速度；3).通過同步驅(qū)動(dòng)N個(gè)脈沖半導(dǎo)體激光器周 期性發(fā)射激光束，提高光源模塊的峰值功率，增加激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)距離。
【附圖說明】
[0011] 圖1基于6路脈沖半導(dǎo)體激光器的光源模塊平面圖；
[0012] 圖2基于6路脈沖半導(dǎo)體激光器的光源模塊立體圖；
[0013] 圖3脈沖半導(dǎo)體激光器初始光斑能量分布；
[0014] 圖4脈沖半導(dǎo)體激光器聚焦光斑能量分布；
[0015] 圖5多模光纖出射光能量分布；
[0016] 圖6重頻300KHz、峰值功率60W光源模塊的激光器驅(qū)動(dòng)時(shí)序；
[0017] 圖7重頻150KHZ、峰值功率120W光源模塊的激光器驅(qū)動(dòng)時(shí)序；
[0018] 圖8重頻50KHz、峰值功率280W光源模塊的激光器驅(qū)動(dòng)時(shí)序；
[0019] 圖中：
[0020] 編號(hào)1、2、3、4、5、6為6路脈沖半導(dǎo)體激光器，a為窄脈沖驅(qū)動(dòng)電源、b脈沖半導(dǎo)體 激光器、c快軸柱透鏡、d慢軸柱透鏡、e小直角棱鏡、g半波片、h偏振合束棱鏡、k大直角棱 鏡、P聚焦透鏡、q多模光纖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面通過實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明：
[0022] 圖1基于6路脈沖半導(dǎo)體激光器的光源模塊平面圖。圖2基于6路脈沖半導(dǎo)體激 光器的光源模塊立體圖。如圖1、2所示，本發(fā)明所述的一種基于脈沖半導(dǎo)體激光器的高重 頻光源模塊，采用偏振合束方法將N個(gè)獨(dú)立的脈沖半導(dǎo)體激光器的出射光束耦合進(jìn)一根多 模光纖中，并按一定時(shí)序驅(qū)動(dòng)N個(gè)脈沖半導(dǎo)體激光器周期性發(fā)射激光束；其中，N多4。
[0023] 本發(fā)明采用偏振合束方法，將N(N多4)個(gè)獨(dú)立的脈沖半導(dǎo)體激光器的出射光束耦 合進(jìn)一根多模光纖中，并按一定時(shí)序驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器周期性發(fā)射激光束，能夠有效提高 光束質(zhì)量，獲取能量呈平頂分布的圓出射光束，該方法具有能量利用率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、結(jié)構(gòu) 緊湊的特點(diǎn)。
[0024] 如圖1所示，在本方案中，所述光源模塊包括6個(gè)獨(dú)立的脈沖半導(dǎo)體激光器b、6個(gè) 窄脈沖驅(qū)動(dòng)電源a、快軸柱透鏡c和慢軸柱透鏡d、小直角棱鏡e、大直角棱鏡k、半波片g、 偏振合束棱鏡h、聚焦透鏡p及多模光纖q。將6個(gè)脈沖半導(dǎo)體激光器b分為2組發(fā)射單元 (編號(hào)1、2、3和編號(hào)4、5、6)，需要說明的是，編號(hào)1、2、3為第2組發(fā)射單元，編號(hào)4、5、6為 第1組發(fā)射單元，采用快軸柱透鏡c和慢軸柱透鏡d對(duì)每個(gè)脈沖半導(dǎo)體激光器b進(jìn)行光束 準(zhǔn)直，并采用小直角反射鏡e將激光器出射光斑沿快軸方向疊加。第1發(fā)射單元的準(zhǔn)直光 經(jīng)半波片g、透射通過偏振合束棱鏡h;第2發(fā)射單元的準(zhǔn)直光反射通過偏振合束棱鏡，并和 透射通過偏振合束棱鏡h的光束經(jīng)聚焦透鏡p耦合進(jìn)一根多模光纖q中。
[0025] 所述偏振合束方法，具體為：是將N個(gè)獨(dú)立的脈沖半導(dǎo)體激光器b分為2組發(fā)射單 元；第1發(fā)射單元的脈沖半導(dǎo)體激光器b的出射光依次經(jīng)過快軸柱透鏡c、慢軸柱透鏡d準(zhǔn) 直，然后經(jīng)小直角棱鏡e反射后通過半波片g，然后透射通過偏振合束棱鏡h;第2發(fā)射單元 的脈沖半導(dǎo)體激光器b的出射光依次經(jīng)過快軸柱透鏡c、慢軸柱透鏡d準(zhǔn)直，然后經(jīng)小直角 棱鏡e反射后，反射通過偏振合束棱鏡h;從偏振合束棱鏡h透射出來的光束和從偏振合束 棱鏡h反射出來的光束兩者經(jīng)大直角棱鏡k反射后，通過聚焦透鏡p耦合進(jìn)一根多模光纖 q中。
[0026] 下面介紹半導(dǎo)體激光器與光纖之間的耦合效率理論：
[0027] 偏振合束方法是采用薄膜干涉型偏振合束棱鏡（PBS棱鏡），由兩塊等腰直角棱鏡 膠合而成，當(dāng)光束以布魯斯特角入射時(shí)，P偏振光幾乎全部透射，而S偏振光則幾乎全部反 射。由于半導(dǎo)體激光器出射光束中S偏振光分量非常高。故利用光路可逆原理，將脈沖半導(dǎo) 體激光器分為2組發(fā)射單元，其中第1組發(fā)射單元光束經(jīng)半波片調(diào)制以形成P偏振光，透射 通過偏振合束棱鏡，而第2組發(fā)射單元光束反射通過偏振合束棱鏡，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間光合束。
[0028] 為實(shí)現(xiàn)最佳的耦合效率和緊湊的光路結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器的快軸光參數(shù)積BPPfa、 慢軸光參數(shù)積BPPJ^光纖光參數(shù)積BPPflbCT需要進(jìn)行匹配。假設(shè)某型號(hào)的半導(dǎo)體激光器 發(fā)光區(qū)尺寸為H(快軸）XL(慢軸），光束發(fā)散角為0faX0sa，多模光纖的芯徑中，數(shù)值孔徑 NA。半導(dǎo)體激光器快軸光參數(shù)積BPPfdP慢軸光參數(shù)積BPP:
[0029] BPPfa=HXsin0fa (1)
[0030] BPPsa=LXsin0sa
[0031] 實(shí)際情況中，BPPfa小于BPPsa，可采用n個(gè)半導(dǎo)體激光器在快軸方向上進(jìn)行疊加：
[0032] BPP，fa=nXBPPfa (2)
[0033] 光纖的光參數(shù)積BPPflberS:
[0034] H)
[0035] 當(dāng)BPP' ^和BPPsa均小于BPPflbCT時(shí)，才能獲得理想的耦合效率，需滿足：
[0036] BPP/fa&BPPsa^BPPflber (4)
[0037] 本實(shí)施例中采用的德國(guó)OSRAMPL90_3半導(dǎo)體激光器，其峰值波長(zhǎng)為905nm，偏 振度約為96%，輸出頻率為50KHz，脈沖寬度8ns，峰值