CN110212405A - 一种激光发射器及其发射方法 - Google Patents

Abstract

一种激光发射器及其发射方法。本发明涉及一种激光发射器及其激光发射方法，特别涉及一种具有发射高功率、高频率、亚纳秒宽度脉冲激光的激光发射器及其激光发射方法。提供了一种高功率高频率高精度激光测距传感器的激光发射器及其发射方法，特别是能够发射激光亚纳秒脉冲的激光发射器及其发射亚纳秒激光脉冲的方法。所述第一电子开关的高端与直流稳压电源连接，所述第一电子开关的低端与所述第二电子开关的高端连接；所述第二电子开关的低端接地；本发明提供了一种高功率高频率高精度激光测距传感器的激光发射器及其发射方法，特别是能够发射激光亚纳秒脉冲的激光发射器及其发射亚纳秒激光脉冲的方法。

Description

一种激光发射器及其发射方法

技术领域

本发明涉及一种激光发射器及其激光发射方法，特别涉及一种具有发射高功率、高频率、亚纳秒宽度脉冲激光的激光发射器及其激光发射方法。

背景技术

随着人工智能时代的到来，激光测距传感器被广泛应用于移动机器人和汽车智驾激光雷达中。然后，目前市场上大多数激光测距传感器属于中低端产品，不能满足新一代高速移动机器人和汽车智能驾驶固态激光雷达长距离高频率高精度的要求。

现有激光测距传感器大多采用相位测距方法，精度虽高，但测距频率不高，测量距离不远。采用脉冲测距技术的激光传感器，可以提高发射功率(增大测量距离)和发射频率，但激光发射脉宽不够窄，否则必须降低发射功率和发射频率。假设测距分辨率要求1cm，对应激光传输时间为67ps，而现有技术的激光脉宽在几个ns，差两个数量级。为了提高测距精度，必须采用亚纳秒脉宽的激光脉冲。因此，高功率、高频率、亚纳秒脉宽的激光发射成了必须突破的难题。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种高功率高频率高精度激光测距传感器的激光发射器及其发射方法，特别是能够发射激光亚纳秒脉冲的激光发射器及其发射亚纳秒激光脉冲的方法。

本发明的技术方案是：一种激光发射器，包括半导体激光二级管、第一电子开关、第二电子开关、储能电容器、偏置电路和开关驱动器；

所述第一电子开关的高端与直流稳压电源V_A连接，所述第一电子开关的低端与所述第二电子开关的高端连接；所述第二电子开关的低端接地；

所述偏置电路的高端与直流稳压电源V_B连接，所述偏置电路的低端与所述储能电容器的高端连接，所述储能电容器的低端接地；

所述半导体激光二级管的阳极连接至所述偏置电路与储能电容器之间；

所述半导体激光二级管的阴极连接至所述第一电子开关与第二电子开关之间；

所述开关驱动器分别与所述第一电子开关的控制端和第二电子开关的控制端连接。

所述第一电子开关为MOS晶体管一、双极三极管一或晶闸管一。

所述第二电子开关为MOS晶体管二、双极三极管二或晶闸管二。

所述第一电子开关的工作极性与所述第二电子开关的工作极性相反。

所述偏置电路为电池、稳压二极管、二极管组或电阻器。

所述开关驱动器为双路集成开关驱动器、单路高边低边双端输出的开关驱动器或单路单端输出的开关驱动器。

一种激光发射器的发射方法，包括以下步骤：

1)接通电源；储能电容器充电储能，半导体激光二极管准备发射激光；

2)开关驱动器向第二电子开关发送闭合控制信号，第二电子开关闭合，储能电容器经第二电子开关与半导体激光二极管放电，半导体激光二极管得电发射激光束；

3)开关驱动器向第二电子开关发送断开控制信号，第二电子开关断开；

4)开关驱动器向第一电子开关发送闭合控制信号，第一电子开关闭合，半导体激光二极管被反向偏置，停止发射激光束；

5)储能电容器补充电储能；

6)开关驱动器给第一电子开关发送断开控制信号，第一电子开关断开；

7)回到步骤2)，进行下一个激光脉冲发射周期。

本发明包括半导体激光二级管、第一电子开关、第二电子开关、储能电容器、偏置电路和开关驱动器；本案采用双路电子开关，分别控制激光脉冲的前沿和后沿，通过大电流高速放电驱动，实现激光脉冲前沿的陡度；通过对半导体激光二极管反向偏置，中和半导体激光二极管中的剩余电荷，缩短激光脉冲拖沓的后沿，实现高功率高频率条件下激光脉冲的亚纳秒宽度发射。本发明提供了一种高功率高频率高精度激光测距传感器的激光发射器及其发射方法，特别是能够发射激光亚纳秒脉冲的激光发射器及其发射亚纳秒激光脉冲的方法。

附图说明

图1是本发明的激光发射器双路控制原理框图，

图2是本发明的激光发射器单路控制原理框图，

图3是本发明的激光发射器逻辑电路控制原理框图，

图4是本发明的波形结构示意图；

图中1是第一电子开关，2是第二电子开关，3是储能电容器，4是半导体激光二级管，5是偏置电路，6是开关驱动器。

具体实施方式

本发明如图1-4所示，一种激光发射器，包括半导体激光二级管4、第一电子开关1、第二电子开关2、储能电容器3、偏置电路5和开关驱动器6；

所述第一电子开关1的高端与直流稳压电源V_A连接，所述第一电子开关1的低端与所述第二电子开关2的高端连接；所述第二电子开关2的低端接地；

所述偏置电路5的高端与直流稳压电源V_B连接，所述偏置电路5的低端与所述储能电容器3的高端连接，所述储能电容器3的低端接地；

所述半导体激光二级管4的阳极连接至所述偏置电路5与储能电容器3之间；

所述半导体激光二级管4的阴极连接至所述第一电子开关1与第二电子开关2之间；

所述开关驱动器6分别与所述第一电子开关1的控制端和第二电子开关2的控制端连接。

第二电子开关2和储能电容器3用于控制半导体激光二级管4正向导通，控制半导体激光二级管4发射脉冲激光前沿；第一电子开关1和偏置电路5用于为半导体激光二级管4提供反向偏置电压，控制半导体激光二级管4发射脉冲激光后沿；开关驱动器6用于驱动第一电子开关1和第二电子开关2；

图1和图2所示的激光发射器，所述第一电子开关1为MOS晶体管一、双极三极管一或晶闸管一。所述第二电子开关2为MOS晶体管二、双极三极管二或晶闸管二。所述第一电子开关1的工作极性与所述第二电子开关2的工作极性相反。如果第一电子开关1为P型MOS管，则第二电子开关2为N型MOS管，如果第一电子开关1为PNP型三极管，则第二电子开关2为NPN型三极管。

开关驱动器6为双路集成开关驱动器，两路开关驱动器6输出互补的一对脉冲信号，分别与第一电子开关1和第二电子开关2的控制端联接；

开关驱动器6也可采用单路高边低边双端输出的开关驱动器，高边低边输出分别与第一电子开关1和第二电子开关2的控制端联接；

开关驱动器6还可采用单路单端输出的开关驱动器，输出端与第一电子开关1和第二电子开关2的控制端联接，通过信号的时序分别驱动第一电子开关1和第二电子开关2。

图2所示的激光发射器，开关驱动器6单端输出与第一电子开关1和第二电子开关2联接，可通过驱动信号的时序驱动第一电子开关1和第二电子开关2。

图3所述的激光发射器，采用激光测距传感器中逻辑控制电路的输出驱动电路，配置成单路或者双路输出，与第一电子开关1和第二电子开关2控制端连接。采用逻辑控制电路的优势是输出控制驱动信号可以编程。例如：逻辑电路可通过程序，设定输出驱动信号的式样。

式样Ⅰ，控制第一电子开关1在第二电子开关2闭合前一段时间关断；

式样Ⅱ，控制第一电子开关1在第二电子开关2闭合同时关断；

式样Ⅲ，控制第一电子开关1在第二电子开关2关断的同时闭合；

式样Ⅳ，控制第一电子开关1在第二电子开关2关断后延时一段时间闭合；

式样Ⅴ，控制第二电子开关2在第一电子开关1关断后延时一段时间闭合。

所述偏置电路5为电池、稳压二极管、二极管组或电阻器。

所述开关驱动器6为双路集成开关驱动器6、单路高边低边双端输出的开关驱动器6或单路单端输出的开关驱动器6。

开关驱动器6为双路集成开关驱动器，两路开关驱动器6输出互补的一对脉冲信号，分别与第一电子开关1和第二电子开关2的控制端联接；

开关驱动器6为单路单端输出的开关驱动器，单路开关驱动器6输出端与第一电子开关1和第二电子开关2的控制端联接，通过信号的时序分别驱动第一电子开关1和第二电子开关2；

开关驱动器6为高边低边双端输出的开关驱动器，高边低边输出端分别与第一电子开关1和第二电子开关2的控制端联接；

开关驱动器6为整机逻辑电路中的输出驱动电路，输出一路或者两路可编程驱动信号。

一种激光发射器的发射方法，包括以下步骤：

1)接通电源；储能电容器3充电储能，半导体激光二级管4准备发射激光；

2)开关驱动器6向第二电子开关2发送闭合控制信号，第二电子开关2闭合，储能电容器3经第二电子开关2与半导体激光二级管4放电，半导体激光二级管4得电发射激光束；

3)开关驱动器6向第二电子开关2发送断开控制信号，第二电子开关2断开；

4)开关驱动器6向第一电子开关1发送闭合控制信号，第一电子开关1闭合，半导体激光二级管4被反向偏置，停止发射激光束；

5)储能电容器3补充电储能；

6)开关驱动器6给第一电子开关1发送断开控制信号，第一电子开关1断开；

7)回到步骤2)，进行下一个激光脉冲发射周期。

作为本发明的进一步限定，步骤2)中开关驱动器6向第二电子开关2发送的闭合控制信号和步骤6)中开关驱动器6向第一电子开关1发送的断开控制信号；与步骤3)中开关驱动器6向第二电子开关2发送的断开控制信号和步骤4)中开关驱动器6向第一电子开关1发送的闭合控制信号，分别为同一路信号的正极性脉冲与负极性脉冲。

作为本发明的进一步限定，步骤2)开关驱动器6向第二电子开关2发送的闭合控制信号和步骤6)开关驱动器6向第一电子开关1发送的断开控制信号；与步骤3)开关驱动器6向第二电子开关2发送的断开控制信号和步骤4)开关驱动器6向第一电子开关1发送的闭合控制信号，分别为两路脉冲信号。

作为本发明的进一步限定，步骤6)开关驱动器6向第一电子开关1发送的断开控制信号时间上提前于步骤2)开关驱动器6向第二电子开关2发送的闭合控制信号。

作为本发明的进一步限定，步骤6)开关驱动器6向第一电子开关1发送的闭合控制信号时间上迟于步骤3)开关驱动器6向第二电子开关2发送的断开控制信号。

结合图4(波形图)，初始状态第一电子开关1和第二电子开关2断开，储能电容器3被充满电压(接近V_B)。当激光发射器发射激光时，首先控制信号通过开关驱动器6驱动第二电子开关2闭合，储能电容器3通过闭合的第二电子开关2向半导体激光二级管4迅速放电，半导体激光二级管4正向导通，发射激光脉冲。此时，由于第二电子开关2闭合电阻非常小，所以储能电容器3的放电前沿十分短，电流波形如图4的A所示。然后，待第二电子开关2闭合一段时间后，控制信号通过开关驱动器6驱动第二电子开关2断开，同时驱动第一电子开关1闭合，此时，第一电子开关1将V_A电压加在半导体激光二级管4的负极，假设V_A≥V_B，那么，半导体激光二级管4被反偏而迅速关断，电流波形如图4的B1所示。或者，图1与图2中，VA与VB短接(VA＝VB)，此时，因为偏置电路5存在电压降，当电压驱动第一电子开关1闭合后，就将偏置电路5上的电压接在半导体激光二级管4的两端，同样半导体激光二级管4被反向偏置，半导体激光二级管4迅速关断，电流波形如图4的B1所示。如果无第一电子开关1的作用，电流波形如图4虚线B2所示。

本案中开关驱动器6可用高低边驱动器MIC4104(两个输入端、两个输出端)，MOSFET驱动器TC4432(一个输入端、两个输出端)，MOSFET驱动器SN75372(两路独立的一个输入端、一个输出端)，MOSFET驱动器MIC4416(一个输入端、一个输出端)。

对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：

(1)、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；

(2)、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；

以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本案所公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种激光发射器，其特征在于，包括半导体激光二级管、第一电子开关、第二电子开关、储能电容器、偏置电路和开关驱动器；

所述第一电子开关的高端与直流稳压电源V_A连接，所述第一电子开关的低端与所述第二电子开关的高端连接；所述第二电子开关的低端接地；

所述偏置电路的高端与直流稳压电源V_B连接，所述偏置电路的低端与所述储能电容器的高端连接，所述储能电容器的低端接地；

所述半导体激光二级管的阳极连接至所述偏置电路与储能电容器之间；

所述半导体激光二级管的阴极连接至所述第一电子开关与第二电子开关之间；

所述开关驱动器分别与所述第一电子开关的控制端和第二电子开关的控制端连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光发射器，其特征在于，所述第一电子开关为MOS晶体管一、双极三极管一或晶闸管一。

3.根据权利要求1所述的一种激光发射器，其特征在于，所述第二电子开关为MOS晶体管二、双极三极管二或晶闸管二。

4.根据权利要求1所述的一种激光发射器，其特征在于，所述第一电子开关的工作极性与所述第二电子开关的工作极性相反。

5.根据权利要求1所述的一种激光发射器，其特征在于，所述偏置电路为电池、稳压二极管、二极管组或电阻器。

6.根据权利要求1所述的一种激光发射器，其特征在于，所述开关驱动器为双路集成开关驱动器、单路高边低边双端输出的开关驱动器或单路单端输出的开关驱动器。

7.一种激光发射器的发射方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)接通电源；储能电容器充电储能，半导体激光二极管准备发射激光；

2)开关驱动器向第二电子开关发送闭合控制信号，第二电子开关闭合，储能电容器经第二电子开关与半导体激光二极管放电，半导体激光二极管得电发射激光束；

3)开关驱动器向第二电子开关发送断开控制信号，第二电子开关断开；

4)开关驱动器向第一电子开关发送闭合控制信号，第一电子开关闭合，半导体激光二极管被反向偏置，停止发射激光束；

5)储能电容器补充电储能；

6)开关驱动器给第一电子开关发送断开控制信号，第一电子开关断开；

7)回到步骤2)，进行下一个激光脉冲发射周期。