激光器、包括其的激光雷达以及产生激光的方法与流程

1.本发明大致涉及光电技术领域，尤其涉及一种激光器、包括该激光器的激光雷达以及一种产生激光的方法。


背景技术：

2.二极管泵浦的固体激光器(dpssl)作为一种新型激光器，近年来发展迅速。相比于传统灯泵浦固体激光器，dpssl用特定波长的激光二极管取代了闪光灯，达到了更高的光光转换效率和更长的工作时间和小尺寸。目前，已有许多类型的二极管泵浦固体激光器实现了商品化，广泛应用于激光测距，工业加工等。
3.被动调q是固体激光器产生脉冲激光的一种方式。谐振腔的q值定义为储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比。通过改变腔内损耗的办法来调节腔内的q值，在q开关打开时形成激光脉冲。被动调q通过在谐振腔中设置可饱和吸收体，利用光强对其吸收系数的调制来改变光的透过率，在可饱和吸收体被饱和时产生激光振荡输出调q激光脉冲。这种技术有利于获得较窄脉冲宽度的脉冲式激光。
4.现有的二极管泵浦固体激光器多采用红光激光二极管作为泵浦光源，但由于单个红光激光二极管的功率较低，通常需要多个激光二极管合束泵浦，泵浦系统较为复杂；且红光激光二极管的中心波长随温度漂移，其工作温度一般限制在0℃至50℃，应用场景也受到了限制(例如激光雷达应用于自动驾驶领域，车规的温度范围为-40℃至120℃)。
5.背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。


技术实现要素：

6.有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种激光器，包括：
7.泵浦单元，所述泵浦单元包括蓝光激光二极管，配置成可产生蓝光泵浦光；
8.增益单元，所述增益单元位于所述泵浦单元的光路下游并接收所述蓝光泵浦光，所述增益单元包括掺cr氟铝钙锂石作为增益介质；
9.激光谐振腔，包括第一谐振部和第二谐振部，其中所述第一谐振部位于所述泵浦单元与所述增益单元之间，所述增益单元位于所述激光谐振腔中，所述激光谐振腔中产生的激光自所述第二谐振部出射；和
10.品质因数调节单元，所述品质因数调节单元配置成可调节所述激光谐振腔的品质因数。
11.根据本发明的一个方面，所述品质因数调节单元位于所述增益介质与所述第二谐振部之间。
12.根据本发明的一个方面，所述第一谐振部包括第一介质膜，所述第一介质膜配置成允许所述蓝光泵浦光通过并入射到所述增益单元中，并可将从所述增益单元朝着所述泵浦单元的光束反射回所述增益单元，所述第二谐振部包括第二介质膜，所述第二介质膜配
置成可将来自所述增益单元的光束反射回所述增益单元，以在所述激光谐振腔中最终形成特定波长的激光振荡，所述激光谐振腔中产生的激光自所述第二介质膜出射。
13.根据本发明的一个方面，所述第一介质膜位于所述增益单元的靠近所述泵浦单元的端面上，所述第二介质膜位于所述品质因数调节单元的远离所述泵浦单元的端面上。
14.根据本发明的一个方面，所述第二谐振部还包括凹面朝向第一谐振部的凹面镜，所述第二介质膜设置于所述凹面上，所述激光谐振腔中产生的激光自所述第二介质膜和所述凹面镜出射。
15.根据本发明的一个方面，所述激光器还包括位于所述第一谐振部与所述增益单元之间的导热透明材料，所述导热透明材料与所述增益单元的朝向所述第一谐振部的一侧贴合。
16.根据本发明的一个方面，所述掺cr氟铝钙锂石包括cr:licaf、cr:lisaf 和cr:lisgaf中的一种或多种。
17.根据本发明的一个方面，所述激光器还包括金属外壳，所述泵浦单元、增益单元、第一谐振部和第二谐振部以及品质因数调节单元封装在所述金属外壳内，所述金属外壳包括透明的出光窗口，用于激光出射。
18.根据本发明的一个方面，所述增益介质为微片型增益介质；所述品质因数调节单元包括可饱和吸收体，所述可饱和吸收体为微片型可饱和吸收体，所述增益单元和所述品质因数调节单元相互贴合。
19.根据本发明的一个方面，所述激光器还包括泵浦光学元件，所述泵浦光学元件设置在所述泵浦单元与所述第一谐振部之间，可接收所述蓝光泵浦光并将其会聚到所述增益单元中。
20.本发明还提供一种激光雷达，包括：
21.发射装置，所述发射装置包括如上所述的激光器；
22.接收装置，所述接收装置配置成可接收所述激光器发出的激光在目标物上反射后的回波；和
23.信号处理装置，所述信号处理装置配置成可根据所述回波获得所述目标物的距离和/或反射率。
24.本发明还提供一种产生激光的方法，包括：
25.通过泵浦单元产生泵浦光，所述泵浦单元包括蓝光激光二极管，配置成可产生蓝光泵浦光；
26.通过增益单元接收所述蓝光泵浦光，并通过增益单元位于其中的激光谐振腔，形成特定波长的激光振荡，其中所述增益单元包括掺cr氟铝钙锂石作为增益介质，所述蓝光泵浦光自所述激光谐振腔的第一谐振部透射后被所述增益单元接收，所述激光谐振腔的品质因数可通过品质因数调节单元调节；和
27.通过所述激光谐振腔的第二谐振部出射激光。
28.根据本发明的另一个方面，所述方法还包括通过导热透明材料减小泵浦热效应，所述导热透明材料位于所述第一谐振部与所述增益单元之间，所述导热透明材料与所述增益单元的朝向所述第一谐振部的一侧贴合。
29.本发明的优选实施例提供了一种使用蓝光激光二极管作为泵浦光源的二极管泵
浦的固体激光器，以掺cr氟铝钙锂石为增益介质，能够获得适用于激光雷达的850nm激光输出。由于蓝光激光二极管在光束质量及功率方面的优势，能够简化泵浦系统的结构进而简化固体激光器的整体结构；由于蓝光激光二极管在温度范围和温漂方面的优势，固体激光器受泵浦光波长温漂移动影响小，可靠性高，适用车规级应用。固定导热透明材料的微片式结构有利于减小泵浦热效应的影响，在更高的泵浦功率下获得更高的激光输出。
附图说明
30.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
31.图1示出了各种激光晶体的发射波长；
32.图2示出了cr:lisaf的发射光谱和吸收光谱；
33.图3示出了cr:lisgaf的发射光谱和吸收光谱；
34.图4示出了cr:licaf的发射光谱和吸收光谱；
35.图5示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光器结构；
36.图6示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光器结构；
37.图7示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光器结构；
38.图8示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光器结构；
39.图9示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光器的封装结构；
40.图10示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光器的封装结构；
41.图11示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光器的封装结构；
42.图12示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光器的封装结构；
43.图13示出了根据本发明的一个优选实施例的产生激光的方法流程图。
具体实施方式
44.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
45.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、 "水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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发明和简化描述，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发明的限制。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所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语" 安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技
术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上" 或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方 "和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
48.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
49.以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
50.如图1和图2所示，掺cr的氟铝钙锂石(cr:licaf，cr:lisgaf，cr:lisaf) 的发射波长覆盖720nm-1100nm波段，峰值在850nm附近，适合作为车载激光雷达的光源。如图2所示，晶体cr:lisaf的吸收光谱中，在红光波长(630nm 左右)有一个较宽的吸收带，对应较大的吸收截面(图中较高的峰值)，同样的，如图3所示，晶体cr:lisgaf的吸收光谱中(π和σ代表泵浦光不同的偏振态)、如图4所示的晶体cr:licaf的吸收光谱中，在红光波长也有较大的吸收截面(图中较高的峰值)，因此，以这一类激光晶体作为增益介质的固体激光器常用红光(波长630nm左右)激光二极管作为泵浦，产生近红外激光。
51.本技术的发明人发现，利用红光二极管作为泵浦、利用掺cr的氟铝钙锂石作为增益介质来产生红外激光的方案存在多个缺陷。采用红光激光二极管作为泵浦光源，由于单个红光激光二极管的功率低，通常需要多个激光二极管合束泵浦，泵浦系统较为复杂；且红光激光二极管的中心波长随温度漂移，其工作温度一般限制在0℃至50℃，应用场景也受到了限制，例如激光雷达应用于自动驾驶领域，车规的温度范围为-40℃至120℃。
52.如图2、图3和图4所示所示，掺cr的氟铝钙锂石激光晶体在450nm附近也有一个较宽的吸收带，和相对大的吸收截面(图中相对高的峰值，吸收截面接近630nm的一半)。因此，本发明提供一种以蓝光激光二极管(波长在 450nm左右)作为泵浦光源的固体激光器，能够至少在一定程度上克服上述问题，下面参考图5详细描述。
53.如图5所示，激光器10包括泵浦单元11、增益单元12、激光谐振腔13 以及品质因数调节单元14。泵浦单元11包括蓝光激光二极管，配置成可产生蓝光泵浦光，波长例如450nm左右。增益单元12位于泵浦单元11的光路下游并接收蓝光泵浦光，增益单元12包括掺cr氟铝钙锂石作为增益介质，激光谐振腔13包括第一谐振部15和第二谐振部16，其中第一谐振部15位于泵浦单元11与增益单元12之间，增益单元12位于激光谐振腔13中，激光谐振腔13中产生的激光自第二谐振部16出射。品质因数调节单元14配置成可调节激光谐振腔13的品质因数。品质因数调节单元14包括可饱和吸收体，作为被动调q的q开关，用以产生激光脉冲。所述可饱和吸收体的材料包括：cr:yag、碳纳米管或石墨烯中的至少一种。优选的，所述
可饱和吸收体的材料为碳纳米管或石墨烯中的至少一种。碳纳米管或石墨烯具有良好的导热性，能够有效提高激光谐振腔内部件的导热和散热效果。
54.在图5所示的激光器10中，增益单元12内的增益介质用以实现粒子数翻转，以形成光放大。由于泵浦单元11配置成可产生蓝光泵浦光，相应的，选择在蓝光波长附近有较大吸收截面和较宽吸收带的激光晶体作为增益介质，如cr:licaf、cr:lisaf和cr:lisgaf中的一种或多种。上述增益介质的发射光谱中心波长在850nm左右，覆盖范围为750nm至950nm，适用于激光雷达。因此，采用蓝光激光二极管泵浦和掺cr氟铝钙锂石为增益介质的组合，能够获得适用于激光雷达的850nm激光输出。
55.如图5所示，激光谐振腔13包括第一谐振部15和第二谐振部16，根据本发明的一个优选实施例，第一谐振部15包括第一介质膜，所述第一介质膜配置成允许蓝光泵浦光通过并入射到增益单元12中，并可将从增益单元12 朝着泵浦单元11的光束反射回增益单元12。第二谐振部16包括第二介质膜，所述第二介质膜配置成可将来自增益单元12的投射至其上的光束反射回增益单元12，以在激光谐振腔13中最终形成特定波长的激光振荡，激光谐振腔13中产生的激光自第二介质膜出射。第二谐振部16反射率通常显著高于透射率，透射率例如5％-10％。因此，泵浦单元11的蓝光泵浦光入射到增益单元12中，在激光谐振腔13产生受激辐射，受激辐射光在由第一谐振部15 和第二谐振部16构成的激光谐振腔中来回反射进行光放大，最终形成特定波长的激光振荡，并从第二谐振部16出射。
56.根据本发明的一个优选实施例，品质因数调节单元14位于增益介质12 与第二谐振部16之间。品质因数调节单元14作为激光器10的调q开关以控制激光谐振腔的q值。
57.q值被称之为品质因数，是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标。q 值的定义为激光谐振腔内，所存储的能量与腔内单位时间损耗的能量的比值：
[0058][0059]
其中，w为激光谐振腔内所存储的总能量；dw/dt为激光谐振腔内光子能量的损耗速率，即单位时间内损耗的能量；ν0为所产生激光的中心频率。
[0060]
调q技术是通过调节激光器谐振腔的q值，将激光器所产生的激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使所产生的激光的峰值功率提高几个数量级，获得窄脉宽、高峰值的激光。具体的，通过调q技术，可以使激光的峰值功率达到兆瓦级(106w)以上，脉宽压缩至纳秒(10-9
s)的脉冲。
[0061]
一般而言，通过改变腔内损耗的方法实现激光谐振腔q值的调节。具体的，在泵浦开始的时候，令激光谐振腔的损耗很大，即减小激光谐振腔的q 值，使增益介质积蓄反转的粒子数；泵浦一定时间后，突然减小激光谐振腔的损耗，即增大激光谐振腔的q值，使积蓄的反转粒子数在短时间内完成受激辐射以形成窄脉宽、高峰值功率的光脉冲。调q技术中，泵浦过程的大部分时间内，激光谐振腔均处于高损耗、低q值的状态，因此谐振腔的阈值很高而无法起振，增益介质中位于上能级、实现反转的粒子数不断积累；当所积累的实现反转的粒子数达到一定数值时，谐振腔的损耗突然下降、q值突然升高，激光振荡的阈值随之迅速降低；于是激光谐振腔内开始建立激光振荡；由于损耗下降、q值升高时所积累的实现的粒子数很大，因此此时受激辐射增强非常迅速，增益介质内存储的能量在短时间内释放，从而形成高峰值、窄脉宽的激光。
[0062]
品质因数调节单元14包括可饱和吸收体，可饱和吸收体是一种非线性吸收介质，其吸收系数并不是常数。在较强激光的作用下，可饱和吸收体的吸收系数会随着光强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性。当投射至所述可饱和吸收体上的光强能够与饱和吸收光强相比拟时，所述吸收系数逐渐变小，透过率逐渐增大；当投射至所述可饱和吸收体上的光强达到一定数值时，可饱和吸收体的对光强的吸收达到饱和(吸收最小)值，所述可饱和吸收体的吸收系数骤减，透过率急剧增大，即所述可饱和吸收体突然被“漂白”而变得透明。
[0063]
蓝光半导体激光二极管产生泵浦激光束后，入射到激光增益介质内产生粒子数反转，将可饱和吸收体置于谐振腔内，开始时，腔内自发荧光很弱，可饱和吸收体吸收系数很大，使光的透过率很低，腔处于低q值(高损耗) 状态，故不能形成激光振荡。随着光泵的继续作用，反转粒子数积累，腔内荧光逐渐变强，当光强能与is(可饱和吸收体的饱和吸收光强)相比拟时，可饱和吸收体的吸收系数变小，透过率逐渐增大，到一定数值时，吸收达到饱和(吸收最小值)，突然被“漂白”而变得透明了，这时腔内q值猛增，产生激光振荡输出调q激光脉冲。
[0064]
根据本发明的一个优选实施例，第一谐振部15包括的第一介质膜位于增益单元12的靠近泵浦单元11的端面上，即在激光增益介质的入射面镀有对蓝光泵浦光高透射率和对激光波长高反射率的介质膜；第二谐振部16包括的第二介质膜位于品质因数调节单元14的远离泵浦单元11的端面上，即可饱和吸收体的出射面镀有对激光波长部分反射的介质膜，第二介质膜的反射率显著高于透射率，以形成谐振腔。其中，增益介质例如是微片型增益介质，可饱和吸收体例如是微片型可饱和吸收体，增益单元12和品质因数调节单元 14相互贴合，例如采用光胶连接，可有效缩短谐振腔腔长，简化谐振腔结构，更有利于获得窄脉宽、高能量的激光脉冲。
[0065]
图5的实施例中，泵浦单元11包括半导体激光二极管，具有低功耗、小体积的优点。另外，采用蓝光激光二极管作为泵浦光源，相比于红光激光二极管具有以下优势：
[0066]
1)发光区面积小，光束质量好；
[0067]
2)单个激光器功率更高；
[0068]
3)可以工作在更宽的温度范围之下(可用于车规温度范围)；
[0069]
4)掺cr的氟铝钙锂石在蓝光波长(450nm)附近有一个较宽的吸收带，吸收截面接近630nm的一半，吸收截面小利于散热；
[0070]
5)450nm蓝光激光二极管波长随温度漂移系数小，小于0.07nm/℃，而红光温漂系数一般在0.2nm/℃。因此，固体激光器受泵浦光波长温漂移动影响小。
[0071]
如图5所示，根据本发明的一个优选实施例，激光器10还包括泵浦光学元件17，设置在泵浦单元11与第一谐振部15之间，泵浦光学元件17包括透镜或者透镜组或者耦合镜，用于接收蓝光泵浦光并将其耦合到增益单元12 内。
[0072]
如图6所示，根据本发明的一个优选实施例，激光器20包括泵浦单元 11、增益单元12、激光谐振腔13、品质因数调节单元14以及导热透明材料 18。泵浦单元11包括蓝光激光二极管，配置成可产生蓝光泵浦光。增益单元 12位于泵浦单元11的光路下游并接收蓝光泵浦光，增益单元12包括掺cr 氟铝钙锂石作为增益介质。激光谐振腔13包括第一谐振部15和第二谐振部 16，其中第一谐振部15位于泵浦单元11与增益单元12之间，增益单元12 位于
激光谐振腔13中，激光谐振腔13中产生的激光自第二谐振部16出射。品质因数调节单元14配置成可调节激光谐振腔13的品质因数。导热透明材料18位于第一谐振部15和增益单元12之间，与增益单元12的朝向第一谐振部15的一侧贴合。泵浦光在转换为激光的同时，剩余能量转换为热功率，对激光谐振腔产生影响，而增益介质前端是热最集中的地方。固定一块热导率高的透明材料片，用于散热，从而可以有效改善热分布，减小热透镜效应对激光谐振腔的影响，激光晶体能够承受更高的泵浦功率，利于获得高功率激光输出。导热透明材料18可以采用蓝宝石片或yag制成，蓝宝石热导率可达25.12w/m/k(@100℃)。
[0073]
如图7所示，根据本发明的一个优选实施例的激光器30，其中第二谐振部16还包括凹面镜19。由于增益介质热透镜效应的影响(第一谐振部15可等效为凹面)，由于平凹腔为非稳腔，为提升激光器出光能力，将凹面镜19 的凹面朝向第一谐振部15，第二介质膜设置于凹面镜19的凹面上，激光谐振腔13中产生的激光自第二介质膜和凹面镜19出射。
[0074]
如图8所示，根据本发明的一个优选实施例的激光器40，包括泵浦单元 11、增益单元12、激光谐振腔13、品质因数调节单元14、导热透明材料18 以及凹面镜19。各部分的工作过程及功能如上所述，在此不再赘述。
[0075]
激光雷达工作环境多变，其性能容易受到大气环流、气温、雨雪雾等自然条件影响，对激光器的可靠性提出了要求。如果能将其封装成一个整体，则可实现较高的可靠性和稳定性。图9至图12为图5至图8中的优选实施例相对应的封装结构。图9至图12的优选实施例中，采用金属外壳20，将泵浦单元11、增益单元12、第一谐振部15和第二谐振部16以及品质因数调节单元14等封装在金属外壳20内，以实现固体激光器一体式封装，金属外壳 20包括透明的出光窗口21，用于激光出射。
[0076]
本发明还提供一种激光雷达，包括：发射装置，包括如上任一优选实施例所述的激光器；接收装置，配置成可接收所述激光器发出的激光在目标物上反射后的回波；信号处理装置，配置成可根据雷达回波获得目标物的距离和/或反射率。
[0077]
如图13所示，本发明还提供一种产生激光的方法120：
[0078]
在步骤s121中，通过泵浦单元产生蓝光泵浦光。泵浦单元包括蓝光激光二极管，配置成可产生蓝光泵浦光。
[0079]
在步骤s122中，通过增益单元接收蓝光泵浦光，并通过增益单元位于其中的激光谐振腔，形成特定波长的激光振荡，其中增益单元包括掺cr氟铝钙锂石作为增益介质，蓝光泵浦光自激光谐振腔的第一谐振部透射后被增益单元接收，激光谐振腔的品质因数可通过品质因数调节单元调节。
[0080]
在步骤s123中，通过激光谐振腔的第二谐振部出射激光。
[0081]
如图13所示的产生激光的方法120，还包括通过导热透明材料减小泵浦热效应。导热透明材料位于第一谐振部与增益单元之间，导热透明材料与增益单元的朝向第一谐振部的一侧贴合。
[0082]
本发明的优选实施例提供了一种使用蓝光激光二极管作为泵浦光源的二极管泵浦固体激光器，以掺cr氟铝钙锂石为增益介质，能够获得适用于激光雷达的850nm激光输出。由于蓝光激光二极管发光区面积小、光束质量好、单个激光器功率高，能够简化泵浦系统的结构进而简化固体激光器的整体结构；由于蓝光激光二极管波长随温度漂移系数小，且可以工作在更宽的温度范围之下，使固体激光器受泵浦光波长温漂移动影响小，可靠性
高，适用于车规级应用。固定导热透明材料的微片式结构有利于减小泵浦热效应的影响，在更高的泵浦功率下获得更高的激光输出。
[0083]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。