本發(fā)明屬于激光技術應用技術領域，提供了一種二極管激光器光束準直的方法。

背景技術：

激光雷達(lightdetectionandranging，lidar)技術是一種主動式光學遙感探測技術，其在高度/空間分辨率、探測靈敏度、抗干擾能力、以及實時監(jiān)測等方面具有獨特的優(yōu)勢。激光雷達技術已經(jīng)廣泛地應用于大氣氣溶膠分布監(jiān)測，大氣污染氣體以及溫室氣體濃度分布測量，中高層大氣溫度場以及風場測量等諸多方面。目前，傳統(tǒng)的脈沖式激光雷達在國內(nèi)外應用最為廣泛。脈沖式激光雷達技術的硬件原理是向大氣中發(fā)射納秒量級的脈沖光并以時間分辨的方式探測其后向散射光的強度，從而實現(xiàn)了不同距離上大氣回波信號的探測。然而，脈沖式氣溶膠激光雷達系統(tǒng)的設計和維護成本卻居高不下。這主要是由于兩方面的原因：其一，是該技術需要的高性能納秒量級脈沖光源如nd:yag激光器等，不僅成本高而且維護費用不菲；其二，是由于激光雷達信號與距離的平方成反比，系統(tǒng)對動態(tài)范圍的要求非常高，不僅需要高靈敏探測器如光電倍增管等，而且需要高速模擬采樣以及單光子計數(shù)技術等復雜的信號采樣技術。

2014年，瑞典隆德大學提出一種基于scheimpflug原理的新型連續(xù)光激光雷達技術(scheimpfluglidar，slidar)。slidar技術通過對發(fā)射到大氣中的激光光束在滿足scheimpflug原理的條件下進行成像，以角度分辨而非飛行時間分辨的方式獲得距離分辨的大氣后向散射信號?；谠撛?，slidar技術可以使用大功率連續(xù)光光源(如二極管激光器)，以及ccd/cmos傳感器作為探測器，從而有效地克服了傳統(tǒng)脈沖激光雷達技術在光源和光電檢測方面系統(tǒng)復雜的困難，解決了三波長甚至更多波長激光雷達系統(tǒng)集成方面的難題，極大地降低了系統(tǒng)的結構和成本。

根據(jù)slidar技術的原理，發(fā)射到大氣中的激光光束的大小和發(fā)散角在光學布局的橫截面平面應該最小，從而實現(xiàn)最好的距離分辨率。在slidar技術中所使用的高功率激光二極管的發(fā)射截面一般具備矩形結構：快軸為1μm，慢軸為20-1000μm。此外，激光光束的發(fā)散角很大，且快軸的發(fā)散角比慢軸要大得多，甚至達到2-4倍。依據(jù)幾何光學的基本原理，任何幾何光學系統(tǒng)都無法改變光束尺寸和發(fā)散角的乘積。雖然采用大焦比的光學系統(tǒng)可以減小光斑尺寸和發(fā)散角，但同時也會面臨降低發(fā)射光束的耦合效率從而導致探測信號的信噪比下降的問題。因此，如何在實現(xiàn)最小發(fā)散角和最小光斑尺寸的情況下同時實現(xiàn)最大的發(fā)射光束耦合效率成為slidar技術的重大挑戰(zhàn)之一。

在先技術[1](liangmei,et.al.,“atmosphericextinctioncoefficientretrievalandvalidationforthesingle-bandmie-scatteringscheimpfluglidartechnique”,opticsexpress,2017,25(16),a628-a638)中，一個具備長焦距(600mm)和大焦比(f6)的折射望遠鏡被用來準直激光光束。所使用的808nm激光二極管的發(fā)散角較?。嚎燧S8°×慢軸6°，發(fā)射截面大小是快軸1μm×慢軸230μm。通過將快軸置于光學系統(tǒng)平面上，在實現(xiàn)90％以上的發(fā)射光束耦合效率的基礎上，將發(fā)射光束的光斑尺寸和發(fā)散角控制在最小范圍(近距離100mm，發(fā)散角約為0.08mrad)。但是，大多數(shù)二極管激光器的發(fā)散角要遠大于808nm二極管激光器。比如，405nm二極管激光器有著典型的較大的光束發(fā)散角，大約為：慢軸13°×快軸45°。如果使用f6透鏡對激光光束發(fā)射進行準直，將會極大地截止激光光束，大大減小功率傳輸效率。因此，該技術方案將會極大地降低其他波長的slidar系統(tǒng)發(fā)射光束耦合效率，進而影響系統(tǒng)的信噪比，并不具備普適性。雖然增加透鏡的口徑可以提高功率傳輸效率，但是也使得激光光束的大小也增加了，這將使slidar技術的距離分辨率變得糟糕。

在先技術[2](費冰,王悠子,劉濤,孫建,王巍,杜妍,段庸,崔慶豐.大功率半導體激光束變發(fā)散角整形系統(tǒng)設計方法[j].激光與光電子學進展,2012,(07):112-116.)中，提出了實現(xiàn)大功率半導體激光束改變發(fā)散角的設計方法。由于高功率二極管激光器的兩個正交方向的光束質(zhì)量以及發(fā)散角差別很大，為了使光束發(fā)散角被壓縮到同一角度，并且隨著發(fā)散角的改變保持相同角度的變化，分別采用兩個柱面透鏡來壓縮光束發(fā)散角，并且實現(xiàn)對光束發(fā)散角的改變。該方法設計的平面橢圓柱面透鏡，由平凸柱面透鏡垂直放置組成的整形系統(tǒng)，將發(fā)散角為40°×10°，發(fā)光面為1μm×100μm的典型高功率二極管激光束變換為發(fā)散角0.1°～0.5°連續(xù)可變的激光束，而且結構簡單，元件可加工。雖然該技術可以將大功率半導體激光器的發(fā)散角變小，但一方面難以實現(xiàn)slidar技術所要求的技術指標，另一方面也不能實現(xiàn)同時控制發(fā)射光斑大小以及發(fā)散角，因此該技術的設計方案并不能應用于slidar技術。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種二極管激光器光束準直的方法，通過對激光光束進行整形，在保證系統(tǒng)距離分辨率不受影響的條件下，可以將大多數(shù)高功率二極管激光器的發(fā)散角變小，從而有效地提高了激光光束的傳輸效率。

本發(fā)明的技術方案：

一種二極管激光器光束準直的方法，該方法所用的裝置包括二極管激光器1、凸柱面透鏡4、凹柱面透鏡5和凸透鏡7，四者的布局和尺寸要求如下：

fb1為凸柱面透鏡4的后平面到其焦點的距離，也是凸柱面透鏡4的后平面到二極管激光器1發(fā)射截面的距離；fb2為凹柱面透鏡5的后平面到其焦點的距離，也是凹柱面透鏡5的平面到二極管激光器1發(fā)射截面的距離；d1為凸柱面透鏡4的后平面到凹柱面透鏡5的后平面的距離；f為凸透鏡7的焦距，即凸透鏡7到二極管激光器1發(fā)射截面的距離；d2為凸透鏡7到凹柱面透鏡5的后平面的距離；同時滿足fb2-fb1＝d1和d2＝f-fb2；

凸柱面透鏡4的口徑2r3比二極管激光器1在快軸方向上的激光光束在fb1處的光斑尺寸大，此光斑指的是激光光束的半高全寬；凹柱面透鏡5的口徑2r4比激光光束經(jīng)過凸柱面透鏡4準直后發(fā)射到凹面透鏡5的光斑尺寸大；凸柱面透鏡4的口徑等于激光光束發(fā)射到凹柱面透鏡5的光斑尺寸；

在激光光束的快軸方向上，凸柱面透鏡4、凹柱面透鏡5和凸透鏡7三者在同一個焦點，并保證輸出激光光束快軸的發(fā)散角與凸透鏡7的接收角匹配，即2r1/fb2＝2r2/f；2r1為激光光束發(fā)射到凹柱面透鏡5的光斑的尺寸，2r2為凸透鏡7的口徑；在激光光束慢軸方向上，激光光束在經(jīng)過凸柱面透鏡4、凹柱面透鏡5時，發(fā)散角并不會發(fā)生變化；

二極管激光器1發(fā)出的激光光束依次經(jīng)過凸柱面透鏡4、凹柱面透鏡5和凸透鏡7準直后發(fā)射到大氣中；沿著快軸方向的激光光束首先經(jīng)過凸柱面透鏡4，被準直成平行光；然后經(jīng)過凹柱面透鏡5，使得快軸方向的光束再次變?yōu)榘l(fā)散；此時輸出激光光束的快軸發(fā)散角與凸透鏡的接收角匹配，從而極大地提高了快軸激光束的耦合效率。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明二極管激光器光束準直的裝置和方法，采用一組凹凸柱面透鏡對二極管激光器的光束進行整形，使得激光光束快軸的發(fā)散角顯著變小并與凸透鏡接受角匹配，而慢軸不發(fā)生變化，最終快軸和慢軸光束由凸透鏡準直后發(fā)射到大氣中。通過將慢軸置于scheimpflug平面，在保證slidar系統(tǒng)性能不變的條件下，使得激光功率傳輸效率顯著提高。

附圖說明

圖1是在激光光束快軸方向二極管激光器、凸柱面透鏡、凹柱面透鏡、凸透鏡需要滿足的幾何平面關系圖。

圖2是激光光束在慢軸方向的傳播示意圖。

圖3是激光整形及發(fā)射裝置、激光接收裝置和圖像傳感器三者之間需滿足的幾何關系平面圖，也即slidar技術原理示意圖。

圖中：1二極管激光器；2整形后的發(fā)散角；3整形前的發(fā)散角；

4凸柱面透鏡；5凹柱面透鏡；6激光光束傳輸方向；7凸透鏡。

具體實施方式

以下結合附圖和技術方案，進一步說明本發(fā)明的具體實施方式。

實施例

a、在不加整形裝置之前，激光光束快軸的發(fā)散角為3；整形之后，激光光束快軸的發(fā)散角為2。

b、fb1為凸柱面透鏡4的后平面到其焦點的距離，也是凸柱面透鏡4的后平面到二極管激光器1發(fā)射截面的距離；fb2為凹柱面透鏡5的后平面到其焦點的距離，也是凹柱面透鏡5的平面到二極管激光器1發(fā)射截面的距離；d1為凸柱面透鏡4的后平面到凹柱面透鏡5的后平面的距離，三者滿足fb2-fb1＝d1(焦點的位置默認為二極管激光器1發(fā)射截面)。

c、f是凸透鏡7的焦距，即凸透鏡7到二極管激光器1發(fā)射截面的距離，d2為凸透鏡7到凹柱面透鏡5的后平面的距離，滿足d2＝f-fb2。

d、凸柱面透鏡4的口徑2r3比二極管激光器1在快軸方向上的激光光束在fb1處的光斑尺寸大，此光斑指的是激光光束的半高全寬。

e、凹柱面透鏡5的口徑2r4比激光光束經(jīng)過凸柱面透鏡4準直后發(fā)射到凹面透鏡5的光斑尺寸大，即2r4>2r1；凸柱面透鏡4的口徑等于激光光束發(fā)射到凹柱面透鏡5的光斑尺寸，即2r3＝2r1；故凹柱面透鏡5的口徑2r4大于凸柱面透鏡4的口徑，即2r4>2r3；

f、在激光光束快軸方向上，在滿足步驟b、c、d、e條件下，凸柱面透鏡4、凹柱面透鏡5和凸透鏡7三者要在同一個焦點(即二極管激光器1發(fā)射截面)，并保證輸出激光光束快軸的發(fā)散角與凸透鏡7的接收角匹配，即r1/fb2＝r2/f；在激光光束慢軸方向上，激光在經(jīng)過凸柱面透鏡4、凹柱面透鏡5時，發(fā)散角并不會發(fā)生變化。

二極管激光器1發(fā)出的激光光束依次經(jīng)過凸柱面透鏡4、凹柱面透鏡5和凸透鏡7準直后發(fā)射到大氣中；沿著快軸方向的激光光束首先經(jīng)過凸柱面透鏡4，被準直成平行光；然后經(jīng)過凹柱面透鏡5，使得快軸方向的光束再次變?yōu)榘l(fā)散；此時輸出激光光束的快軸發(fā)散角與凸透鏡7的接收角匹配，從而極大地提高了快軸激光束的耦合效率。

雖然沿著快軸方向的激光光束的發(fā)散角顯著變小，但等效光斑尺寸變大。另一方面，沿著慢軸方向的激光光束的大小和發(fā)散角并沒有任何變化。此時，將快軸垂直于scheimpflug平面放置，慢軸平行于scheimpflug平面放置，最終快軸和慢軸激光光束由凸透鏡7準直后發(fā)射到大氣中(該平面如圖3所示)。由于在僅由凸透鏡7對二極管激光器1光束進行準直時，快軸和慢軸的激光光束尺寸和發(fā)散角幾乎一樣。因此，與僅有凸透鏡7進行激光光束準直的情況相比，本技術方案在實現(xiàn)同樣的slidar系統(tǒng)性能的條件下，提高了發(fā)射光束耦合效率。

以上內(nèi)容是結合優(yōu)選技術方案對本發(fā)明所做的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施僅限于這些說明。對本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明的構思的前提下，還可以做出簡單的推演及替換，都應當視為本發(fā)明的保護范圍。