[实用新型]一种二极管激光器光束准直的装置

说明书

技术领域

本实用新型属于激光技术应用技术领域，提供了一种二极管激光器光束准直的装置。

背景技术

激光雷达(Light Detection and Ranging，Lidar)技术是一种主动式光学遥感探测技术，其在高度/空间分辨率、探测灵敏度、抗干扰能力、以及实时监测等方面具有独特的优势。激光雷达技术已经广泛地应用于大气气溶胶分布监测，大气污染气体以及温室气体浓度分布测量，中高层大气温度场以及风场测量等诸多方面。目前，传统的脉冲式激光雷达在国内外应用最为广泛。脉冲式激光雷达技术的硬件原理是向大气中发射纳秒量级的脉冲光并以时间分辨的方式探测其后向散射光的强度，从而实现了不同距离上大气回波信号的探测。然而，脉冲式气溶胶激光雷达系统的设计和维护成本却居高不下。这主要是由于两方面的原因：其一，是该技术需要的高性能纳秒量级脉冲光源如Nd:YAG激光器等，不仅成本高而且维护费用不菲；其二，是由于激光雷达信号与距离的平方成反比，系统对动态范围的要求非常高，不仅需要高灵敏探测器如光电倍增管等，而且需要高速模拟采样以及单光子计数技术等复杂的信号采样技术。

2014年，瑞典隆德大学提出一种基于Scheimpflug原理的新型连续光激光雷达技术(Scheimpflug Lidar，SLidar)。SLidar技术通过对发射到大气中的激光光束在满足Scheimpflug原理的条件下进行成像，以角度分辨而非飞行时间分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号。基于该原理，SLidar技术可以使用大功率连续光光源(如二极管激光器)，以及CCD/CMOS传感器作为探测器，从而有效地克服了传统脉冲激光雷达技术在光源和光电检测方面系统复杂的困难，解决了三波长甚至更多波长激光雷达系统集成方面的难题，极大地降低了系统的结构和成本。

根据SLidar技术的原理，发射到大气中的激光光束的大小和发散角在光学布局的横截面平面应该最小，从而实现最好的距离分辨率。在SLidar技术中所使用的高功率激光二极管的发射截面一般具备矩形结构：快轴为1μm，慢轴为20-1000μm。此外，激光光束的发散角很大，且快轴的发散角比慢轴要大得多，甚至达到2-4倍。依据几何光学的基本原理，任何几何光学系统都无法改变光束尺寸和发散角的乘积。虽然采用大焦比的光学系统可以减小光斑尺寸和发散角，但同时也会面临降低发射光束的耦合效率从而导致探测信号的信噪比下降的问题。因此，如何在实现最小发散角和最小光斑尺寸的情况下同时实现最大的发射光束耦合效率成为SLidar技术的重大挑战之一。

在先技术[1](Liang Mei,et.al.,“Atmospheric extinction coefficient retrieval and validation for the single-band Mie-scattering Scheimpflug lidar technique”,Optics Express,2017,25(16),A628-A638)中，一个具备长焦距(600mm)和大焦比(F6)的折射望远镜被用来准直激光光束。所使用的808nm激光二极管的发散角较小：快轴8°×慢轴6°，发射截面大小是快轴1μm×慢轴230μm。通过将快轴置于光学系统平面上，在实现90％以上的发射光束耦合效率的基础上，将发射光束的光斑尺寸和发散角控制在最小范围(近距离100mm，发散角约为0.08mrad)。但是，大多数二极管激光器的发散角要远大于808nm二极管激光器。比如，405nm二极管激光器有着典型的较大的光束发散角，大约为：慢轴13°×快轴45°。如果使用F6透镜对激光光束发射进行准直，将会极大地截止激光光束，大大减小功率传输效率。因此，该技术方案将会极大地降低其他波长的SLidar系统发射光束耦合效率，进而影响系统的信噪比，并不具备普适性。虽然增加透镜的口径可以提高功率传输效率，但是也使得激光光束的大小也增加了，这将使SLidar技术的距离分辨率变得糟糕。