[发明专利]用于激光雷达的激光发射模组

说明书

本发明公开了一种用于激光雷达的激光发射模组，所述模组中的半导体激光芯片为水平腔面发射激光器(HCSEL)芯片，因HCSEL芯片发出的激光至少在一个方向上准直，这样简化了光学系统；通过光栅锁模，使激光发射模组无需加入任何光学器件就可具备中心波长范围小、谱宽窄、波长温漂小等特征，并且HCSEL可以同时拥有大的出光面积和高质量的光束，达到大功率、高亮度、光束均匀的激光特征，非常适于长距离，高精度激光雷达应用；另外由于大的出光面积，出光面功率密度变低，器件的寿命也会相应变长；HCSEL的激光芯片结构及出光方式还可以降低芯片成本，方便和模组内其它光学器件集成。

技术领域

本发明涉及激光器件技术领域，特别涉及一种用于激光雷达的激光发射模组。

背景技术

激光雷达(LiDAR)主要是通过利用近红外波段的半导体激光器发射激光脉冲，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对物体如汽车、飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台(用于扫描式雷达)和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。

目前的激光雷达通常采用端发射芯片或垂直腔面发射激光器(VCSEL)芯片作为激光芯片，发射出的半导体激光都具有发射角度大的缺点，导致需对两个方向的激光光束都要进行准直整形，使激光发射模组系统复杂，不易于集成，并且成本较高。

图1是根据一示例性实施例示出的基于目前MEMS(Micro ElectromechanicalSystem)技术(也可以是其它扫描式激光雷达系统，例如机械式扫描)的扫描式激光雷达系统的光路示意图。在该MEMS激光雷达中，半导体激光一般采用F-P(Fabry-Perot)腔端发射芯片，其具有发射角度大、出光面积小，频谱宽、波长温度漂移严重等特点。

大的激光出光角度通常需要对两个方向的光束都进行准直整形(即快轴准直和慢轴准直)，将导致光学集成系统复杂，并且尺寸较大。具有大发散角度的半导体激光器的远场角度分布如图2所示，图2(a)为慢轴发射角的远场角度分布图，图2(b)为快轴发射角的远场角度分布图。

现有F-P端发射激光器宽波长谱宽和严重波长温度漂移极大的限制了激光雷达的信噪比。众所周知，背景光是影响信噪比关键因素，背景光强，信号光就被可能被淹没，导致信噪比弱。由以下背景光功率的方程可知背景光功率：

Pb＝(л/16)*Tr*ρ*θr*dr*△λ*(Ta*ρ*Hλ*cosβ*cosφ+л*Nλ*(1-Ta))

其中，Tr接收光学系统透过率，Ta大气透过率，θr接收视场，dr接收光学孔径，△λ光学滤光片带宽，Hλ太阳对地面光谱，Nλ为大气散射的太阳光谱辐射亮度，ρ为目标漫反射系数，φ为目标表面和太阳光线夹角，β为接收光轴与目标表面法线夹角。

上述公式中△λ的选择与所用激光的特性有关系，假设其他条件不变情况下，△λ(光学滤光片带宽)主要是由激光光源的谱宽和波长温度漂移的总量决定，谱宽和波长温度漂移大，那么△λ就需要相应增大，这样背景光功率大，探测信号信噪比低，如果△λ小，能量损耗严重，则雷达可探测距离变近。值得一提的是，上述宽光谱，严重温漂等特性并不会在通过各种光学整形器件后有所改善。因此，窄线宽和低温漂的激光光源具有允许激光雷达使用更窄带宽的光学滤光片，从而降低背景光功率，提升信噪比的优势。

图3是根据一示例性实施例示出的目前三维(3D)flash激光雷达的光路示意图。通常flash雷达的使用角度至少60°*45°且要求光束均匀分布。通常采用的端发射半导体激光器光束是近高斯模式，分布不均匀，如果使用在3D flash激光雷达中，不仅仅要进行快慢轴扩角度，且还需要进行高斯均匀化，导致系统相对复杂，成本也过高。

发明内容