本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器技術(shù)，尤其涉及一種智能車用相干檢測激光雷達(dá)小型光源及其制備方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體激光器的迅速發(fā)展,使相干激光雷達(dá)已有許多實(shí)際應(yīng)用,包括風(fēng)速測量,污染探測以及目標(biāo)的跟蹤、測距和成像等。但其測量精度卻因目前缺乏窄線寬(50khz量級)的激光光源而存在局限性。由于相干激光雷達(dá)對激光器的線寬要求較高，窄線寬半導(dǎo)體激光器作為相干激光雷達(dá)中的核心光器件之一顯得尤為重要。

目前國際上常用的半導(dǎo)體激光器，主要為光柵外腔激光器和干涉濾光片外腔激光器以及光纖光柵外腔激光器。這類激光器存在易受機(jī)械振動、高低的影響，會有跳?，F(xiàn)象且激光線寬較寬等缺陷。這些缺陷嚴(yán)重影響了相干激光雷達(dá)測距測速的精度。如何研制出小型集成化、低成本、窄線寬(50khz量級)的激光光源，以提高智能車用車載相干激光雷達(dá)測距測速的范圍和精度，切實(shí)推動自動駕駛，無人駕駛技術(shù)，成為國民經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展和科學(xué)研究關(guān)注的熱點(diǎn)問題和面臨的巨大挑戰(zhàn)。

一般的半導(dǎo)體激光器線寬只達(dá)到mhz量級水平，盡管國際上出現(xiàn)了各種壓窄激光線寬的技術(shù)，如利用dbr、dfb、光柵和干涉濾光片研制的外腔半導(dǎo)體激光器，但其線寬最好指標(biāo)也只是處于百khz量級，想要突破瓶頸，使激光線寬小于50khz水平同時實(shí)現(xiàn)小型集成化一直是一個是國際技術(shù)難題。

外腔半導(dǎo)體激光器具有線寬窄，波長穩(wěn)定性和可控性好等優(yōu)點(diǎn)。為了使半導(dǎo)體激光器輸出頻率穩(wěn)定的激光，必須保證激光器單一模式輸出。激光器外腔指的是半導(dǎo)體激光二極管輸出光端面與光學(xué)反饋元件所構(gòu)成的諧振腔，光柵外腔半導(dǎo)體激光器正是光柵作為光反饋元件實(shí)現(xiàn)外部反饋的一種外腔半導(dǎo)體激光器。由于外腔長度遠(yuǎn)大于內(nèi)腔，在外腔中不同激光模式經(jīng)過模式競爭實(shí)現(xiàn)單一模式輸出，半導(dǎo)體激光器線寬即被大大壓窄。

通常使用的littrow結(jié)構(gòu)光柵外腔半導(dǎo)體激光器由激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、光柵三個部分構(gòu)成，如圖1所示。激光二極管出射光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后變成平行光入射到光柵，調(diào)節(jié)光柵的角度即改變?nèi)肷涔獾焦鈻诺慕嵌?，使光柵的輸出光只?級和+1級光，其中+1級光沿原路反饋回激光二極管形成外腔振蕩，0級光即激光器輸出激光。這種類型激光器至少包括三個元件，由于其連續(xù)可調(diào)諧且沒有集成固化，對外界抗干擾性能差，激光線寬等條件無法滿足智能車用相干檢測激光雷達(dá)小型光源的應(yīng)用條件。

有鑒于此，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的智能車用相干檢測激光雷達(dá)小型光源及其制備方法，在國際上首次應(yīng)用兼具準(zhǔn)直和選頻功能的混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)一種小型集成化、窄線寬的半導(dǎo)體激光器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種智能車用相干檢測激光雷達(dá)小型光源及其制備方法，結(jié)合混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件外腔技術(shù)，在國際上首次利用這種創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)同時實(shí)現(xiàn)光束準(zhǔn)直和選頻功能，主要集成應(yīng)用在智能車用相干測距測速激光雷達(dá)中。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種相干檢測激光雷達(dá)小型光源，可應(yīng)用在智能車用相干測距測速激光雷達(dá)中，包括一個由鍍增透膜的半導(dǎo)體激光二極管和一個混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件；所述半導(dǎo)體激光二極管的輸出光端面鍍有增透膜，另一面鍍有高反膜；所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件的前表面起到準(zhǔn)直光束的作用,后表面起到選頻的作用；所述半導(dǎo)體激光二極管輸出光端面與所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件后表面組成激光器外部諧振腔；

所述半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出相干光束，經(jīng)過所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件，所述相干光束經(jīng)所述菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件前表面被準(zhǔn)直成為平行光，該平行光作為入射光，被所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件的后表面選模；通過設(shè)定所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件與入射光的角度，使得所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件的衍射光與入射光共線反向，所述衍射光全部或部分沿原路返回到所述半導(dǎo)體激光二極管；

當(dāng)所述衍射光全部沿原路返回到所述半導(dǎo)體激光二極管時，在所述半導(dǎo)體激光二極管輸出光端面與所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件后表面組成的諧振腔中振蕩、放大到超過激光器振蕩閾值，使得所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件的反射光直接輸出作為輸出激光；

當(dāng)所述衍射光的一部分沿原路返回到所述半導(dǎo)體激光二極管時，在所述半導(dǎo)體激光二極管輸出光端面與所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件后表面組成的諧振腔中振蕩、放大到超過激光器振蕩閾值，所述衍射光的另一部分則直接輸出作為輸出激光；同時，所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件的反射光也可以直接輸出作為輸出激光。

針對上述相干檢測激光雷達(dá)小型光源，進(jìn)一步地，所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件有兩種，一種為后表面鍍有反射膜，另一種為后表面鍍有部分反射膜。在本發(fā)明一實(shí)施例中，公開了一種智能車用相干檢測激光雷達(dá)小型光源，這是一種混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件外腔半導(dǎo)體激光器，包括：一個由鍍增透膜的半導(dǎo)體激光二極管(輸出光端面鍍有增透膜、另一面鍍有高反膜)和一個混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件；所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件后表面鍍有反射膜；所述激光二極管所發(fā)出的相干光束經(jīng)過所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件時，所述相干光束經(jīng)所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件被前表面準(zhǔn)直成為平行光，該平行光作為入射光，被后表面選模；通過確定所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件與入射光的角度，使得所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件的衍射光與入射光共線反向，沿原路返回到半導(dǎo)體激光二極管，在所述半導(dǎo)體激光二極管輸出光端面與混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件后表面組成的諧振腔中振蕩、放大到超過激光器振蕩閾值，使得所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件的反射光直接輸出作為輸出激光，從而可以大大降低激光器的線寬。通過使用上述的激光器，可實(shí)現(xiàn)小型集成化、低成本、高抗干擾性、窄線寬的激光輸出，滿足車用相干激光雷達(dá)小型光源的條件，并降低所述小型光源的生產(chǎn)成本。

在本發(fā)明另一實(shí)施例中，所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件后表面鍍有部分反射膜；所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件的衍射光一部分反饋回激光二極管，另一部分直接輸出作為輸出激光；同時，所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件的反射光也可以直接輸出作為輸出激光。

本發(fā)明還提供了相干檢測激光雷達(dá)小型光源的制備方法，包括如下步驟：

1)制備得到混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件，所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件分為兩種，一種是后表面鍍有反射膜，另一種是后表面鍍有部分反射膜；

2)制備得到鍍增透膜的半導(dǎo)體激光二極管，所述半導(dǎo)體激光二極管的輸出光端面鍍有增透膜，另一面鍍有高反膜；

3)由所述半導(dǎo)體激光二極管的輸出光端面與所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件后表面組成激光器外部諧振腔；

4)所述半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出相干光束，經(jīng)過所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件，經(jīng)所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件前表面準(zhǔn)直成為平行光；該平行光作為入射光，被所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件后表面選模；

5)設(shè)定所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件與入射光的角度，使得所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件的衍射光與入射光共線反向，所述衍射光全部或部分沿原路返回到所述半導(dǎo)體激光二極管；

6)當(dāng)所述衍射光全部沿原路返回到所述半導(dǎo)體激光二極管時，在所述半導(dǎo)體激光二極管輸出光端面與所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件后表面組成的諧振腔中振蕩、放大到超過激光器振蕩閾值，使得所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件的反射光直接輸出，成為輸出激光；當(dāng)所述衍射光的一部分沿原路返回到所述半導(dǎo)體激光二極管時，另一部分直接輸出作為輸出激光；同時，所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件的反射光也可以直接輸出作為輸出激光。

從上面所述可以看出，本發(fā)明結(jié)合鍍增透膜的半導(dǎo)體激光二極管和混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)的小型集成化、低成本、高抗干擾性、窄線寬智能車用車載相干檢測激光雷達(dá)小型光源?？朔藗鹘y(tǒng)光柵外腔半導(dǎo)體激光器中，準(zhǔn)直透鏡和光柵必須分立的思想束縛，創(chuàng)造性的利用混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件，這種光學(xué)元件分為兩種，一種是后表面鍍有反射膜另一種是鍍有部分反射膜，將混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件作為激光外腔并起到準(zhǔn)直和選頻的作用；通過特殊的外腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加腔長，進(jìn)而壓窄激光線寬，并可通過集成一體化設(shè)計(jì)并通過固化和密封，實(shí)現(xiàn)微型化的厘米長度的窄線寬相干激光光源的批量制備，解決了長期以來困擾本領(lǐng)域技術(shù)人員的智能車用相干檢測激光雷達(dá)小型光源線寬較寬和穩(wěn)定性較差的問題。為許多對激光線寬及其穩(wěn)定性有較高要求的應(yīng)用提供了小型集成化、低成本、高抗干擾性、窄線寬更穩(wěn)定的激光器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的智能車用相干檢測激光雷達(dá)小型光源及其制備方法，在國際上首次應(yīng)用兼具準(zhǔn)直和選頻功能的混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)一種小型集成化、窄線寬的半導(dǎo)體激光器。本發(fā)明通過結(jié)合混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件(厚度小于2mm)外腔及噪聲抑制和模塊化封裝等技術(shù)研制出小型集成化、低成本、高抗干擾性、窄線寬智能車用相干檢測激光雷達(dá)小型光源。本發(fā)明中的混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件激光外腔，集透鏡激光束準(zhǔn)直、光柵選模、外腔反饋三種功能于一體，具有低成本、高可靠性、高抗干擾能力，制成的小體積(小于2cm*2cm*8cm)窄線寬(小于50khz)激光光源，可以用于消費(fèi)市場作為相干激光雷達(dá)系統(tǒng)中的核心光器件并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的littrow型光柵外腔半導(dǎo)體激光器的原理示意圖；

其中，11—激光二極管；12—準(zhǔn)直透鏡；13—光柵。

圖2是本發(fā)明提供的具體實(shí)施方式一實(shí)現(xiàn)的相干檢測激光雷達(dá)小型光源；

圖3本發(fā)明提供的具體實(shí)施方式二實(shí)現(xiàn)的相干檢測激光雷達(dá)小型光源；

圖2～3中，21—激光二極管；22—混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件前表面的前焦點(diǎn)；23—衍射光；24—入射光；25—混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件；26—反射光；27—混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件前表面的焦平面；28—混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件后表面的反射膜；29—混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件后表面的部分反射膜；30—輸出衍射光。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明提供一種相干檢測激光雷達(dá)小型光源，包括一個由鍍增透膜的半導(dǎo)體激光二極管和一個混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件；半導(dǎo)體激光二極管的輸出光端面鍍有增透膜，另一面鍍有高反膜；混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件分為兩種，一種為后表面鍍有反射膜，一種為后表面鍍有部分反射膜；半導(dǎo)體激光二極管輸出光端面與所述混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件后表面組成激光器外部諧振腔。

圖2是本發(fā)明提供的具體實(shí)施方式一。如圖2所示，包括激光二極管21和混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件25。其中，激光二極管21用于輸出激光光束，其在電流的作用下，當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，即對某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時，就可從pn結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光束?；旌戏颇鶢柾哥R衍射光柵光學(xué)元件25具有光束準(zhǔn)直和選頻的作用，前表面有一定的焦距，用于把激光二極管21輸出的光束整形為平行光束。后表面28鍍有反射膜，不會有光透過，用于對準(zhǔn)直輸出的平行光束進(jìn)行選模，同時與激光二極管出射端面構(gòu)成該激光器外部諧振腔。經(jīng)前表面準(zhǔn)直后輸出的平行光束打到后表面上，衍射光經(jīng)原路返回到激光二極管21，在后表面和激光二極管21輸出端面作為腔鏡的外部諧振腔內(nèi)振蕩放大；而混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件的反射光作為實(shí)施方式一的輸出激光。

圖3是本發(fā)明提供的具體實(shí)施方式二。如圖3所示，包括激光二極管21和混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件25。其中元件的作用與位置關(guān)系和具體實(shí)施方式一相同；不同之處在于，混合菲涅爾透鏡衍射光柵光學(xué)元件29的后表面鍍有部分反射膜，衍射光一部分反饋回激光二極管21，另一部分直接輸出作為實(shí)施方式二的輸出激光；同時，反射光也可以直接輸出作為輸出激光。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其進(jìn)行限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而這些修改或者等同替換亦不能使修改后的技術(shù)方案脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。