[發明專利]一種激光雷達半導體激光光源準直擴束裝置

有效

• 申請號: 201310676921.5
• 申請日: 2013-12-11
• 公開（公告）號: CN103633557A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 董云升;劉建國;陸亦懷;張天舒;桂華僑;趙南京;趙雪松
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: H01S5/06
• 分類號: H01S5/06;G02B27/30;G02B27/09
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;賈玉忠

技術領域

本發明涉及一種準直擴束裝置，具體為一種應用于激光雷達探測光源的半導體激光器的準直擴束裝置。

背景技術

半導體激光器是一類用途非常廣泛的光電子器件，具有光電轉換效率高、體積小、壽命長、功率密度高等優點，被廣泛應用于材料加工、激光打標、激光打印、激光測距、激光存儲等民用領域，以及激光制導、激光武器等軍事領域，半導體激光器技術幾乎涵蓋了幾乎所有光電子領域。

在激光雷達領域，半導體激光器作為探測光源的應用，進一步激光雷達體積小和重量，增加了激光雷達探測波長和精度高,被廣泛用大氣污染、云層、大氣能見度等等的遙感探測。但半導體激光器存在一個嚴重的不足，就是它的光束不對稱性，具有較大的光束發散角，這是半導體激光器的固有的結構特點決定的。一般半導體激光器的光斑形狀成橢圓形，垂直于發光面的方向（快軸）具有較大的發散角，通常為40°左右，平行于發光面方向（慢軸）的發散角相對較小，大約在10°左右。而激光雷達探測光束的發散角一般在0.05-3mrad之間，顯然半導體激光器光束的準直技術是其在激光雷達領域應用的關鍵。

目前，現有的半導體激光器光束準直的方法有三種，一種是柱透鏡進行快軸和慢軸方向的角度準直和整形，柱透鏡的調整容差較小，如北京國科世紀激光技術有限公司公開的發明專利“高功率半導體激光列陣的光束轉換整形裝置”CN101055973A（公開日2007年10月17日），中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的發明專利“對半導體激光器出射光束的整形方法”CN101609212A（公開日2009年12月23日）等等專利中描述的半導體光束整形裝置分別對半導體光束的快軸和慢軸進行整形，經常這類裝置整形后光束質量得到改善，但是其發散角依然很大，無法滿足激光雷達對發射光源的要求；另一種采用單透鏡對半導體激光器輸出光束的準直，這種半導體激光器光束整形裝置是傳統的準直和整形方法，具有結構簡單、方便經濟，但是效果更差，準直度較低，這種方法一般用對光束質量和發散角要求較低的裝置中；還有一種采用發射望遠鏡對半導體激光器輸出光束進行準直，這種方法也是目前激光雷達裝置常用的一種方法，如用于中國科學院上海光學精密機械研究所公開的一種發明專利“高功率半導體激光器的激光望遠鏡”CN2387553Y（授權公告日2000年7月12日），其通過放大倍數的望遠鏡對半導體激光器光束進行擴束處理，達到壓縮發散角的目的，這個方法可得到很好的準直效果，但是該半導體激光器光束整形裝置的主要缺點是所使用的望遠鏡體積較大，結構復雜，成本高，體積大，而且整個擴束裝置的光學和機械穩定性較差，容易受到其他因素的影響。

發明內容

本發明專利的目的在于提供一種激光雷達中使用的半導體激光光源準直擴束裝置，該裝置具有準直后光束的發散角小、光學和機械穩定高、結構簡單和成本較低的優點。

本發明要解決的問題是解決半導體激光雷達發散角太大，無法在激光雷達中應用的問題，提供一種激光雷達半導體激光光源準直擴束裝置，可以把高功率脈沖半導體激光器的發射角壓縮至0.2mrad，以保證激光雷達對探測光源的需求；根據傳統物理光學理論可知，擴束裝置的準直特性與擴束性能是相關，也就是說光束的發散角與光斑大小反相關，如果要得到發散角非常小的準平行光束，要求擴束裝置的擴束倍數很大，能夠把光束的光斑擴束至很大才行，所以通常情況下，擴束鏡倍數一般在20倍以下。本發明專利，針對半導體激光光源的特性創新地設計了三鏡片式準直擴束裝置，將一片高階非球面應用于半導體激光光源準直擴束裝置中，有效提高擴束裝置在壓縮光束發散角方面的性能，裝置可以將光束的光斑直徑控制在合理數值范圍內，同時把光束的發散角壓縮至很小，以保證在激光雷達探測對光源的要求；此外，激光雷達半導體激光光源準直擴束裝置的結構簡單、具有很好的光學穩定性，機械結構穩定性，可以在18級隨機震動，-30℃--50℃環境中使用，滿足在負責條件下激光雷達使用需求；對波長750--1400nm范圍的激光透過率優于90%，有助于提高激光雷達系統的穩定性和探測性能，滿足了激光雷達長時間業務化自動在線探測的需要。