激光发射器及激光检测装置的制作方法

1.本发明涉及激光技术领域。更具体地，涉及一种激光发射器及激光检测装置。


背景技术：

2.波束控制已经在雷达(lidar)技术中实现了广泛应用，而最近出现的光检测以及测距技术已经在之前雷达技术的基础上得到广泛地发展。传统的雷达技术利用激光源照射目标物体，通过检测反射光脉冲束的返回时间(飞行时间)，从而计算物体的距离。该技术已经应用在地面、飞机以及太空等设备用于感知周围环境。地面雷达技术起初只是用来简单测量(距离或者车速)，现在已经在各种先进设备中得到重要应用如自动驾驶、人工智能机器人等。消费电子包括iphone、ipad以及microsoft的室内移动捕获传感器，以及用于ar和vr显示。
3.目前，几种雷达系统已经被优化满足各种应用的要求。例如，对于消费电子来说，设备的费用和尺寸非常重要，但是测量精度、可测量范围距离和系统的稳定性对于精确设备来说也是很关键的。考虑到雷达基于现实世界的使用以及潜在经济影响的潜力，甚至于短期内，对于硬件与软件端内的研究与发展都将引发快速增长。
4.对于一些特殊应用，雷达系统的决策时间对于自动汽车来说将需要足够快，从而保证在危险情况下能够保证安全停止。特别地，对于人生安全来说，必须满足安全测量距离、高精度、360
°
实时工作范围，一种光学系统能够克服糟糕的天气环境，并且保证对不同太阳光照条件下的稳定工作。基于以上要求，期望雷达系统能够被制造作为紧凑并且可承受的芯片级传感器。然而，现在并没有商业化的雷达系统能够满足以上要求。绝大部分的商业化可用的雷达系统主要基于mems系统，该系统体积大并且易于受到外界环境的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种激光发射器及激光检测装置，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
6.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
7.本发明第一方面提供一种激光发射器，包括第一控制器、垂直腔面发射激光器和设置在所述垂直腔面发射激光器出光面的第一超表面结构；
8.所述第一超表面结构包括：第一基板、设置在所述第一基板上的第一电极、设置在所述第一电极的远离所述第一基板一侧的阵列排布的多个第一介质柱、位于所述第一电极的远离所述第一基板一侧且填充在所述多个第一介质柱之间的间隙中的第一液晶、设置在所述多个第一介质柱的远离所述第一基板一侧的第二电极和设置在所述第二电极的远离所述第一基板的一侧的第二基板，其中，所述第一电极和所述第二电极其中之一为面状电极，另一为与所述多个第一介质柱一一对应的多个块状电极；
9.所述第一控制器，用于控制分别施加在所述第一电极和所述第二电极的电压，以通过调节第一液晶偏转，对所述垂直腔面发射激光器出射的激光进行相位调控。
10.可选地，所述第一超表面结构还包括：设置在所述第一液晶与所述第二电极之间的第一配向膜。
11.可选地，所述第一控制器，用于控制分别施加在所述第一电极和所述第二电极的电压，以通过调节第一液晶偏转，对所述垂直腔面发射激光器出射的激光进行相位调控，实现对所述垂直腔面发射激光器出射的激光的聚焦调控、波形调控或波前方向调控。
12.可选地，所述垂直腔面发射激光器为红外垂直腔面发射激光器。
13.本发明第二方面提供一种激光检测装置，包括本发明第一方面提供的激光发射器和激光接收器，所述激光接收器包括用于感测反射激光的光电探测器，所述反射激光由物体对所述激光发射器出射的激光进行反射形成。
14.可选地，所述激光接收器包括还包括第二控制器和和设置在所述光电探测器的感光面的至少一个第二超表面结构；
15.所述第二超表面结构包括：第三基板、设置在所述第三基板上的第三电极、设置在所述第三电极的远离所述第三基板一侧的阵列排布的多个第二介质柱、位于所述第三电极的远离所述第三基板一侧且填充在所述多个第二介质柱之间的间隙中的第二液晶、设置在所述多个第二介质柱的远离所述第三基板一侧的第四电极和设置在所述第四电极的远离所述第三基板的一侧的第四基板，其中，所述第三电极和所述第四电极其中之一为面状电极，另一为与所述多个第二介质柱一一对应的多个块状电极；
16.所述第二控制器，用于控制分别施加在所述第三电极和所述第四电极的电压，以通过调节第二液晶偏转对接收的激光进行相位调控。
17.可选地，所述第二超表面结构还包括：设置在所述第二液晶与所述第四电极之间的第二配向膜。
18.可选地，所述第二控制器，用于控制分别施加在所述第三电极和所述第四电极的电压，以通过调节第二液晶偏转对接收的激光进行相位调控，实现对所述接收的激光的聚焦调控。
19.可选地，所述激光检测装置为车载激光检测装置。
20.可选地，所述车载激光检测装置还包括处理器，用于根据所述光电探测器感测的反射激光，确定所述物体的距离和/或对所述物体成像。
21.本发明的有益效果如下：
22.本发明所述技术方案，基于在垂直腔面发射激光器上集成动态波束可重构的动态超表面结构，可精确、全面地实现对垂直腔面发射激光器出射的激光的动态调控，且器件集成度高，适用性广。
附图说明
23.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
24.图1示出本发明实施例提供了的激光发射器的示意图。
25.图2示出第一超表面结构的示意图。
26.图3示出相位随折射率变化的曲线图。
27.图4示出图2所示的第一超表面结构中的第一超表面结构单元的示意图。
28.图5示出一相位分布图。
29.图6示出对应图5所示的相位分布的第一超表面结构设计结构图。
30.图7示出聚焦位置变化的仿真效果图。
31.图8示出另一相位分布图。
32.图9示出另一相位分布图。
33.图10示出平行激光波束波前方向偏转角度的示意图。
34.图11示出平行激光波束波前方向偏转不同角度的仿真效果图。
35.图12示出激光接收器的示意图。
36.图13示出车载激光检测装置的示意图。
具体实施方式
37.为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
38.如图1所示，本发明一个实施例提供了一种激光发射器，包括第一控制器(图中未示出)、垂直腔面发射激光器(vcsel，vertical-cavity surface-emitting laser)10和设置在垂直腔面发射激光器10出光面的第一超表面结构20。
39.如图2所示，第一超表面结构20包括：第一基板201、设置在第一基板201上的第一电极202、设置在第一电极202的远离第一基板201一侧的阵列排布的多个第一介质柱203、位于第一电极202的远离第一基板201一侧且填充在多个第一介质柱203之间的间隙中的第一液晶204、设置在多个第一介质柱203的远离第一基板201一侧的第二电极205和设置在第二电极205的远离第一基板201的一侧的第二基板206。本实施例中，第一电极202作为驱动第一液晶204的公共电极，其为面状电极；第二电极205作为驱动第一液晶204的数据电极，其为与多个第一介质柱203一一对应的多个块状电极，即每一第二电极205在第一基板201上的正投影覆盖一第一介质柱203在第一基板201上的正投影。
40.第一控制器，用于控制分别施加在第一电极202和第二电极205的电压，以通过调节第一液晶204偏转，对垂直腔面发射激光器10出射的激光进行相位调控。
41.本实施例中，可将每一第二电极205对应的覆盖范围限定为一个第一超表面结构单元，则第一超表面结构20包括阵列排布的多个第一超表面结构单元，第一控制器通过控制分别施加在第一电极202和每一第二电极205的电压，可调节每一第一超表面结构单元中的第一液晶204偏转(即调节每一第一超表面结构单元中的第一液晶204的等效折射率)，实现第一超表面结构20的不同位置处的不同相位，从而实现对出射垂直腔面发射激光器10出射的激光波束的聚焦、波形以及指向的可重构。图3示出了激光透过后的相位随第一液晶204的等效折射率变化而变化的曲线，需要说明的是，图3中并没有对相位进行取整(即并未结合光波的周期为2π的运动规律调整纵坐标)，由图3可知，可以通过调节施加在第一液晶204的电压使得第一液晶204的等效折射率变化，并使得透过第一超表面结构20的激光光束的相位在0
°‑
360
°
(对应0-2π弧度)的范围变化。
42.由此，本实施例提供的激光发射器，基于在垂直腔面发射激光器10上集成动态波束可重构的动态超表面结构，可精确、全面地实现对垂直腔面发射激光器10出射的激光的动态调控，且器件集成度高，适用性广。
43.可理解的是，也可以将第一电极作为驱动第一液晶204的数据电极，将其设置为与多个第一介质柱203一一对应的多个块状电极，且将第二电极作为驱动第一液晶204的公共电极，将其设置为面状电极。
44.在一种可能的实现方式中，如图2所示，第一超表面结构20还包括：设置在第一液晶204与第二电极205之间的第一配向膜207。第一配向膜207的设置可以使得第一液晶204沿着第一配向膜207的沟槽排列，使得第一液晶204具有更好的稳定性，从而有利于提高第一超表面结构20的整体稳定性。
45.在一个具体示例中，第一配向膜第一配向膜207的材质可以均为聚酰亚胺(pi)，通过对聚酰亚胺膜层进行摩擦(粗化)可以使得其表面形成沟槽，进而使得第一液晶204沿着沟槽排列。
46.在一个具体示例中，第一介质柱203的材质可以包括氮化硅、氧化钛和氮化镓等中的至少之一，例如，第一介质柱203可以由氮化硅、氧化钛或氮化镓等材质中的一种形成，第一介质柱203也可以由氮化硅、氧化钛和氮化镓等材质中的两种或多种形成，上述材质均具有良好光透过率，有利于第一超表面结构20提升对入射激光光束的调控效果。例如，第一介质柱203的材质为二氧化钛(tio2)。第一介质柱203可以采用横截面为中心对称图形的纳米柱，以降低对入射光幅度的影响，例如，第一介质柱203可以为圆柱体纳米柱、长方体纳米柱等。第一介质柱203的高度例如可以在400nm-800nm之间，第一介质柱203的宽度例如可以在50nm200nm之间，例如，圆柱体纳米柱的宽度为其底面直径，长方体纳米柱的宽度为其底面边长(底面为正方形)。
47.在一个具体示例中，第一液晶204的盒厚例如可以为2.7μm，第一超表面结构20还可以进一步包括第一封框胶，其中，第一封框胶可以设置在第一配向膜207的远离第二基板206的边缘区域，通过设置第一封框胶，可以更好的约束第一液晶204，从而可以进一步提高第一超表面结构20的整体稳定性。关于第一封框胶的材质，本实施例中不做特别限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择和设置，只要第一封框胶具有良好的粘结性能即可。
48.在一个具体示例中，第一基板201和第二基板206可以采用透明衬底材质，例如第一基板201和第二基板206的材质可以均为玻璃，对于玻璃的具体类型，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要第一基板201和第二基板206能够具有一定的强度并能提供良好的支撑作用即可，此外，第一基板201和第二基板206还可以采用蓝宝石、二氧化硅(silica)等其他透明衬底材质。
49.在一个具体示例中，第一电极202和第二电极205的材质可以均为氧化铟锡(ito)，由此，第一电极202和第二电极205均具有较好的导电性，更有利于通过给第一液晶204施加电压以通过调节第一液晶204偏转，对垂直腔面发射激光器10出射的激光进行相位调控。
50.在一个具体示例中，第一超表面结构单元的主要功能层结构如图4所示，包括例如以silica示出的第一基板201，在silica上的以ito示出的第一电极202，在ito上的以tio2示出的第一介质柱203，在tio2上的以ito示出的第二电极205和填充在两层ito之间的以lc示出的第一液晶204，盒厚2.7μm。
51.在一种可能的实现方式中，垂直腔面发射激光器10为红外垂直腔面发射激光器，即垂直腔面发射激光器10出射的激光为红外激光，波长为850nm。
52.在一个具体示例中，如图1所示，垂直腔面发射激光器10包括基底gaas(图中未示出)及依次层叠设置在基底gaas上的下电极101、下镜层102、带隙多量子阱有源层103、上镜层104以及上电极105。第一超表面结构20可以在制备后贴合在上电极105上，也可以直接在上电极105上形成。
53.其中，下电极101可以为p面电极或者说p型电极，下镜层102可以为p型下多层反射镜(bottom dbr，dbr-distributed bragg reflector，分布布拉格反射器)20，上镜层104可以为n型上多层反射镜(top dbr)，上电极105可以为n面电极或者说n型电极。dbr是由折射率不同的两种薄膜构成的多层薄膜，具有交替的高折射系数和低折射系数的薄膜，每层薄膜的光学厚度是激光波长的四分之一或二分之一波长，一组dbr可以由20-40对薄膜组成，可以产生99％以上的强度反射率。
54.垂直腔面发射激光器10中，当电流从n面电极和p面电极注入，带隙多量子阱有源层103中的量子阱材料受电流激发而产生光子，然后在n型上多层反射镜和p型下多层反射镜之间形成激光，激光从n型上多层反射镜出射。其中，带隙多量子阱有源层103例如可由非掺杂gaas量子阱层和非掺杂al0.35ga0.65as势垒层(barrier layer)制成。
55.在一种可能的实现方式中，第一控制器，用于控制分别施加在第一电极202和第二电极205的电压，以通过调节第一液晶204偏转，对垂直腔面发射激光器10出射的激光进行相位调控，实现对垂直腔面发射激光器10出射的激光的聚焦调控、波形调控或波前方向调控。
56.在一个具体示例中，可以基于本实施例提供的第一超表面结构20，按照设计的函数，结合对不同位置的第一超表面结构单元施加的电压，进行相应的调控，例如：
57.(1)设计超透镜聚焦特性：
58.函数一为：
59.其中，(x,y)为第一超表面结构单元的位置坐标，x、y分别表示第一超表面结构单元在第一超表面结构20的平面上相对于圆心(0,0)的x方向偏移量和y方向偏移量；λ为激光波长，例如红外激光波长为850nm；f为焦距，对于设计的焦距，例如f＝10μm，利用以上函数即可计算得到第一超表面结构20内不同位置的第一超表面结构单元的设计相位φ
collimator
从而通过对不同位置的第一超表面结构单元施加相应的电压来实现如图5所示的相位分布。其中，在本实施例提供的激光发射器应用于激光检测装置以对物体成像的场景中，主要基于超透镜聚焦特性以及后续(5)平行激光波束波前方向偏转特性，设计的函数基于图5所示的相位分布的设计原理，设计结构如图6所示。
60.(2)设计激光光束聚焦在法向方向，通过在函数一中额外添加变量l
offset
的函数二，可以实现聚焦位置的空间变化，如图7所示，函数二为：
[0061][0062]
其中，如图1所示，通过添加的变量l
offset
可实现聚焦位置变化r
offset
。图7中(a)、(b)、(c)分别示出了在动态可调偏移量分别为3μm、0μm、3μm的聚焦仿真效果，(a)、(b)、(c)的右侧示出了色卡。
[0063]
(3)设计锥形激光光束特性：
[0064]
函数为：
[0065]
其中，na＝sinθ，对于设计的θ，例如θ＝10
°
，利用以上函数即可计算得到第一超表面结构20内不同位置的第一超表面结构单元的设计相位φ
axicon
从而通过对不同位置的第一超表面结构单元施加相应的电压来实现如图8所示的相位分布。
[0066]
(4)设计轨道角动量激光波束，该激光波束可以用于通信增加信息传输容量，用于全息加密成像等，设计的函数为：φ
oam
＝2π lθ，对于设计的θ，例如θ＝10
°
，利用以上函数即可计算得到第一超表面结构20内不同位置的第一超表面结构单元的设计相位φ
oam
从而通过对不同位置的第一超表面结构单元施加相应的电压来实现如图9所示的相位分布，图9中，角动量数l分别为-2,-1,1,2四个情况下的相位分布图如图9中由左至右的四个图形所示。
[0067]
此外，基于本实施例提供的第一超表面结构20，按照设计的函数，结合对不同位置的第一超表面结构单元施加的电压，进行相应的波形调控，可以实现任意波形，在此不再一一列举。
[0068]
(5)设计平行激光波束波前方向偏转特性：
[0069]
函数为：
[0070]
其中，对于设计的平行激光波束波前方向偏转角度θ，利用以上函数即可计算得到第一超表面结构20内不同位置的第一超表面结构单元的设计相位φ
deflector
从而通过对不同位置的第一超表面结构单元施加相应的电压来实现如图10所示的平行激光波束波前方向偏转角度θ，图10和图1中，和分别为第i个第一超表面结构单元和第j个第一超表面结构单元的相位。如图11所示，图11中的(a)、(b)、(c)依次示第一超表面结构20透射激光光束的不同波前方向，灰度梯度表示能量分布。图11中，(a)示出的是激光光束的波前方向沿x轴正向偏转，偏转角度约为30
°
；(b)示出的是激光光束的波前方向近似于垂直出射；(c)示出的是激光光束的波前方向沿x轴负向偏转，偏转角度约为30
°
。
[0071]
本发明的另一个实施例提供了一种激光检测装置，包括上述实施例提供的激光发射器，还包括激光接收器，所述激光接收器包括用于感测反射激光的光电探测器(pd)，所述反射激光由物体对所述激光发射器出射的激光进行反射形成。
[0072]
本实施例提供的激光检测装置也可称为激光检测系统、激光感知装置或激光感知系统。
[0073]
在一种可能的实现方式中，所述激光接收器包括还包括第二控制器和设置在所述光电探测器的感光面的至少一个第二超表面结构；
[0074]
所述第二超表面结构包括：第三基板、设置在所述第三基板上的第三电极、设置在所述第三电极的远离所述第三基板一侧的阵列排布的多个第二介质柱、位于所述第三电极的远离所述第三基板一侧且填充在所述多个第二介质柱之间的间隙中的第二液晶、设置在所述多个第二介质柱的远离所述第三基板一侧的第四电极和设置在所述第四电极的远离所述第三基板的一侧的第四基板，其中，所述第三电极和所述第四电极其中之一为面状电极，另一为与所述多个第二介质柱一一对应的多个块状电极；
[0075]
所述第二控制器，用于控制分别施加在所述第三电极和所述第四电极的电压，以
通过调节第二液晶偏转对接收的激光进行相位调控。
[0076]
在一种可能的实现方式中，所述第二超表面结构还包括：设置在所述第二液晶与所述第四电极之间的第二配向膜。
[0077]
需要说明的是，激光接收端-激光接收器的第二超表面结构与激光发射端-激光发射器的第一超表面结构的结构相似，在此不在赘述。
[0078]
由此，本实施例提供的激光检测装置，将动态超表面结构与光电探测器进行集成，基于激光波束的集成化接收器增强了激光的收集性能。从而，本实施例提供的激光检测装置，分别利用动态超表面结构与激光源和光电探测器进行集成，从而实现了集成化的检测系统。
[0079]
在一种可能的实现方式中，所述第二控制器，用于控制分别施加在所述第三电极和所述第四电极的电压，以通过调节第二液晶偏转对接收的激光进行相位调控，实现对所述接收的激光的聚焦调控。
[0080]
其中，为了更好的接收反射激光，激光接收器可在所述光电探测器的感光面的设置多个第二超表面结构，以实现感测不同位置的反射激光。第二控制器通过对多个第二超表面结构接收的激光的聚焦调控，可调节焦距，有利于光电探测器感测。
[0081]
在一个具体示例中，如图12所示，图12中，(a)示出了激光接收器包括光电探测器121和设置在光电探测器121的感光面的阵列排布的多个第二超表面结构122，其中，单个第二超表面结构122的结构如(b)所示，第二超表面结构122与第一超表面结构20的结构类似，(a)与(b)中的锥形示出了焦距调节后的激光光束焦点。
[0082]
在一种可能的实现方式中，所述激光检测装置为车载激光检测装置。
[0083]
在一种可能的实现方式中，所述车载激光检测装置还包括处理器，用于根据所述光电探测器感测的反射激光，确定所述物体的距离和/或对所述物体成像。
[0084]
其中，处理器可以仅根据光电探测器感测的反射激光对物体成像，而利用第二控制器根据光电探测器感测的反射激光确定物体的距离。
[0085]
在一个具体示例中，如图13所示，车载激光检测装置包括红外激光发射器131和红外激光接收器132，还包括集成第一控制器和第二控制器功能且包括用于确定障碍物距离的时间测量模块的控制器133，还包括用于对障碍物成像的图像处理器134，车载激光检测装置通过集成动态波束可重构的动态超表面结构的垂直腔面发射激光器，利用交流电平进行激发获得脉冲激光光束135向不同方向进行发射，当脉冲激光光束135被前方的障碍物反射时，将会产生反射激光光束(后向散射波)136，通过集成可变波束的动态超表面结构的的光电探测器接收动态结构散射波(可以接收来自不同方向的激光波束)，将接收的反射信号传输到控制器进行计算，探测障碍物的距离并利用图像处理器将障碍物的图像进行重现。
[0086]
综上，纳米光子学与先进工艺制造的发展已经被认为可以支撑甚至替代传统的雷达系统。特别地，几种小型化波束控制平台，如芯片光阵列以及平面光学器件，能够很大程度地缩小设备尺寸。纳米光子学雷达平台能够实现高的图像成像质量。本实施例提供的激光检测装置中，在发射端，基于与垂直腔面发射激光器集成的动态波束可重构的动态超表面结构，可以实现出射激光波束的动态调控，在接收端，将动态超表面结构与光电探测器进行集成，基于激光波束的集成化接收器增强了激光的收集性能，利用以上设计的激光发射器与激光接收器构建的激光检测装置可实现动态物体的测距、成像。
[0087]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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。术语“在
……
上”、“在
……
上形成”和“设置在
……
上”可以表示一层直接形成或设置在另一层上，也可以表示一层间接形成或设置在另一层上，即两层之间还存在其它的层。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；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。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。
[0088]
还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0089]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。