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    1.5μm人眼安全光纖激光器—高性能激光雷達光源解決方案
    材料來源:長進激光           錄入時間:2021/7/5 23:51:25

    近年來,隨著無人駕駛、遙感測繪等新技術的飛速發展,激光雷達作為一種環境感知傳感器,越來越受到重視,顯示出巨大的市場前景!激光雷達結合了激光與傳統雷達具有的特性,具有距離分辨率高、抗干擾能力強、體積小等優勢,現已在無人駕駛、車輛安全預警、測距、測風等領域中廣泛應用。

    激光雷達一般是由激光器、激光發射機、激光接收機、光電探測器、計算機處理等模塊構成。它是將激光作為信號源,并與激光接收機接收的信號做比較,用相位、頻率、偏振以及振幅等參數通過計算機處理得到我們想要的信息。

    圖1   激光雷達簡易結構及流程圖

    應用領域:

    激光測風雷達

    為了倡導綠色低碳發展,風力發電在近幾年呈現飛速發展,通過激光測風雷達能獲取精確可靠的風場信息,從而及時旋轉風扇,有利于提高風電的利用率。同時也可以提高飛行器件和高空裝置在空中的安全性。因此激光測風雷達對風力發電,航空飛行、氣象預測、軍事等領域都具有非常重要的意義。

    測風雷達的原理就是通過激光器產生的信號光通過光學天線發射到待測空氣中,脈沖激光與大氣中的氣溶膠顆粒相互作用產生攜帶其速度信息的后向散射信號。由多普勒原理可知,回波信號的多普勒頻移與氣溶膠顆粒運動速度(即風速)成正比,因此,光學天線接收到的后向散射信號通過和系統內光纖激光器產生的本振光拍頻進行數字解調,即可進行算法處理進而得到待測目標的風場信息。

    激光測距雷達

    激光測距方法可分為兩種類型:脈沖激光測距(圖2所示)和相位激光測距(圖3所示)。脈沖激光測距的基本原理是激光器發射激光束,該激光束在擊中障礙物后被反射回來并被激光接收系統接收和處理,通過激光器發射信號和反射信號的時間差,就可以計算出目標距離。相位激光測距的基本原理是通過傳感器接收信號的相位與發射信號的相位差來計算與目標的距離。

    圖2  脈沖式激光測距

    脈沖激光測距通過公式1來進行計算:

    L= cΔt/2      公式1

    其中:式中L為測量距離,c為光在空氣中傳播的速度, Δt為光波信號在測距儀與目標往返的時間。

    圖3 相位式激光測距

    相位激光測距通過公式2來進行計算

    2L=Ф·c·T/2π   公式2

    其中:L為測量距離,c為光在空氣中傳播的速度,T為調制信號的周期時間, ?為發射與接收波形的相位差。

    脈沖式激光由于激光發散角小、脈沖間隔較小、瞬間功率較高,可以進行遠距離的測量。相位式激光測距適用于中距離的測量,同時需要對調整信號的頻率進行合理選擇,如果選擇不當,會出現測距不準的情況,選擇信號頻率越高,得到的分辨率就越高,測量精度就越高,測量距離就越小。

    車載激光雷達

    無人駕駛技術是多個技術領域的集成,包括車載激光雷達、高精度地圖、路徑規劃、車輛能耗管理、GPS定位等等,其中最核心的部件為激光雷達,也是目前制約無人駕駛汽車普及的一個重要因素。

    車載激光雷達的基本工作原理就是激光光源向目標物體發射激光,通過激光返回的時間差確定與目標物體的間距,同時根據距離以及激光發射角度,判斷出目標物體的大致位置

    對于高速行駛的無人駕駛汽車來說,為了實時并準確的獲取車輛定位信息,需要通過車載激光雷達探測周圍的環境信息去精確定位車輛位置,這些信息可以組成所謂的點云并繪制出周圍環境高精度3D地圖,從而保證無人駕駛的安全性能。

    激光雷達光源

    激光光源是激光雷達信號發生裝置,直接決定了激光雷達的性能。傳統的激光雷達的激光一般采用905nm半導體激光作為光源,具有激光器件相對成熟、成本低等優點;同時太陽光中存在較多近紅外背景光,傳感器信噪比物理上受限,最大探測距離限制在150米左右;發散角大,成像不清晰等缺點。

    相較而言,1550nm波長處在人眼安全范圍內,其人眼安全的上線遠大于905nm(約2個數量級)。另外,1550nm遠離太陽紅外背景光,抗干擾能力強,可以實現遠距離探測;同時采用相干技術,探測器只對自身發射的激光回波響應,信噪比遠高于905nm-ToF激光雷達,最大探測距離可以達到1000米以上,特殊場景下可以達到數公里。由于采用光纖激光器方案,因此具有較好的光束質量及較小的發散角,具有更清晰的成像。因此1550nm的光纖激光作為激光雷達光源已經成為高端激光雷達發展的一種趨勢。

    1550nm光纖激光器使用的增益介質是鉺纖及鉺鐿共摻光纖,光纖激光器具有體積小、轉換效率高、光束質量好等優點。1550nm光纖激光器使用摻鉺光纖對激光進行放大,但是鉺離子容易出現團簇現象且高摻雜容易引起濃度淬滅,難以實現高功率輸出。因此高功率的1550光纖激光器一般通過980nm泵浦與單模鉺纖進行第一級預防大,二級放大則采用915nm泵浦與雙包層鉺鐿共摻光纖完成,見圖4所示。

    圖4 1550nm光纖激光器功率放大簡易流程圖

    1.5μm激光雷達具有很多優勢,但由于很多核心器件受限于國外,成本一直無法降低。并且使我國很多相關領域的發展都受限于國外,不利于自身核心技術的發展和風險的降低。

    1.5μm光纖激光器的輸出功率很大程度上是由增益光纖的性能來決定的,武漢長進激光技術有限公司(簡稱長進激光)經過多年的技術積累和創新研發,在1.5μm激光雷達光源用增益光纖上率先實現國產化。長進激光自主研發的6/125摻鉺光纖以及10/125雙包層鉺鐿共摻光纖已成功應用在紅外測距公司的1550nm脈沖光纖激光器中,在一級放大和二級放大系統中的性能上,均達到或超過國外知名廠商水平。圖5為鉺鐿共摻光纖的光纖截面圖(左)與斜率效率(右),具有高的光光轉化效率,較高的吸收系數保證了輸出功率。

    圖5  鉺鐿共摻光纖截面圖與斜率效率

    目前光纖激光雷達朝著小型化、低成本、結構簡單、高精度、高適用范圍的方向發展,特別是隨著數字處理技術的發展,光纖激光技術將變的更加完善。隨著科學技術的發展,1.5μm光纖激光雷達一定會得到越來越廣泛的應用,長進激光也必然會持續發展1.5um激光雷達用增益光纖,為更多激光領域的企業提供更加優質的產品。


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