CN113036582B - 激光器、包括其的激光雷达以及激光雷达的扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光器，包括：第一泵浦单元，所述第一泵浦单元配置成可产生第一泵浦光；谐振单元，所述谐振单元设置在所述第一泵浦单元的光路下游，用于接收所述第一泵浦光并输出第一激光；和滤波单元，所述滤波单元配置成可接收由所述谐振单元输出的所述第一激光，滤波后出射，其中所述谐振单元配置成可接收种子光，从所述谐振单元输出的所述第一激光的波长与所述种子光的波长相同。

Description

激光器、包括其的激光雷达以及激光雷达的扫描方法
技术领域
本发明大致涉及光电技术领域，尤其涉及激光器、包括该激光器的激光雷达以及利用该激光雷达进行扫描的方法。
背景技术
二极管泵浦的固体激光器(DPSSL)作为一种新型激光器，近年来发展迅速。相比于传统灯泵浦固体激光器，DPSSL用特定波长的激光二极管取代了闪光灯，达到了更高的光光转换效率和更长的工作时间和小尺寸。目前，已有许多类型的二极管泵浦固体激光器实现了商品化，广泛应用于激光测距，工业加工等。
被动调Q是固体激光器产生脉冲激光的一种方式。谐振腔的Q值定义为储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比。通过改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值，在Q开关打开时形成激光脉冲。
激光雷达是一种常用的测距传感器，具有探测距离远、分辨率高、受环境干扰小等特点，广泛应用于智能机器人、无人机、无人驾驶等领域。近年来，自动驾驶技术发展迅速，激光雷达作为其距离感知的核心传感器，已不可或缺。TOF(Time of flight)激光雷达对于近距离、强反射的被测物体，需要降低激光脉冲能量，否则会出现探测器信号饱和，影响探测效果。而被动调Q固体激光器难以实现单个脉冲能量连续可调，是因为调Q固体激光器是经半导体二极管泵浦激光增益介质产生激光。一旦泵浦功率达到泵浦阈值功率，产生激光脉冲的能量随泵浦功率增加变化很小。无法像半导体激光器那样，通过改变注入电流的方式直接调节输出功率。
就发明人所知，目前采用偏振片调节激光功率存在的主要问题是整个装置的体积大，不利于固体激光器的封装和集成，不利于激光器小型化。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种激光器，包括：
第一泵浦单元，所述第一泵浦单元配置成可产生第一泵浦光；
谐振单元，所述谐振单元设置在所述第一泵浦单元的光路下游，用于接收所述第一泵浦光并输出第一激光；和
滤波单元，所述滤波单元配置成可接收由所述谐振单元输出的所述第一激光，滤波后出射，
其中所述谐振单元配置成可接收种子光，从所述谐振单元输出的所述第一激光的波长与所述种子光的波长相同。
根据本发明的一个方面，所述谐振单元包括：
第一激光谐振腔，所述第一激光谐振腔包括第一谐振部和第二谐振部，所述第一泵浦光自所述第一谐振部透射至所述第一激光谐振腔内，所述第一激光自所述第二谐振部出射，其中所述第一激光谐振腔配置成可接收种子光，在所述第一激光谐振腔中，波长与所述种子光的波长最接近的模式优先形成振荡，使得从所述谐振单元输出的所述第一激光的波长与所述种子光的波长相同；
第一增益单元；
品质因数调节单元；
其中所述第一增益单元与所述品质因数调节单元位于第一谐振部和第二谐振部之间。
根据本发明的一个方面，所述激光器还包括种子光生成单元，所述种子光生成单元包括：
第二泵浦单元，所述第二泵浦单元配置成可产生第二泵浦光；
第二增益单元，所述第二增益单元位于所述第二泵浦单元的光路下游并接收所述第二泵浦光；
分光单元，所述分光单元配置为生成所述种子光和多个不同波长的调谐光，所述不同波长的调谐光的传播方向不同；
扫描单元，所述扫描单元配置成可接收所述多个不同波长的调谐光，并将所述不同波长的调谐光中的至少一束原光路返回到所述分光单元；
位于所述第二泵浦单元与所述第二增益单元之间的反射单元，所述反射单元配置成可将从所述第二增益单元朝着所述第二泵浦单元的光束反射回所述第二增益单元，所述反射单元、分光单元、以及所述扫描单元构成第二激光谐振腔，所述被原路返回到所述分光单元的调谐光最终在所述第二激光谐振腔中形成振荡。
根据本发明的一个方面，所述扫描单元通过摆动或转动的方式改变所述多个调谐光的入射角度，并使垂直入射至所述扫描单元的调谐光按原光路返回，经所述分光单元，投射至所述反射单元以在所述第二激光谐振腔内形成对应波长的调谐光的来回反射。
根据本发明的一个方面，所述分光单元包括：光栅，所述光栅包括：反射式光栅或透射式光栅中的至少一种。
根据本发明的一个方面，所述光栅包括：-1级高衍射效率光栅或+1级高衍射效率光栅；
所述分光单元在所述-1级高衍射效率光栅的0级光出射方向生成所述出射激光，在所述-1级高衍射效率光栅的-1级衍射光出射方向生成所述多个调谐光；
或者，所述分光单元在所述+1级高衍射效率光栅的0级光出射方向生成所述出射激光，在所述+1级高衍射效率光栅的+1级衍射光出射方向生成所述多个调谐光。
根据本发明的一个方面，所述滤波单元包括窄带滤波器，所述窄带滤波器在一定波长范围内其透过率随波长变化而连续变化。
根据本发明的一个方面，所述的激光器还包括分束器，所述分束器配置成可接收所述种子光并将所述种子光的至少一部分反射，以及可接收所述第一激光并将所述第一激光的至少一部分透射，其中，被反射的所述种子光的至少一部分自第二谐振部透射至所述第一激光谐振腔内，被透射的所述第一激光的至少一部分入射至所述滤波单元上。
根据本发明的一个方面，所述激光器还包括光隔离器，所述光隔离器接收所述种子光并仅允许所述种子光单向通过，通过所述光隔离器的种子光入射到所述分束器上。
根据本发明的一个方面，所述第一增益单元和/或第二增益单元包括增益介质，所述第一增益单元和/或第二增益单元为微片型增益单元；所述品质因数调节单元包括可饱和吸收体，所述可饱和吸收体为微片型可饱和吸收体，所述第一增益单元和所述品质因数调节单元相互贴合。
根据本发明的一个方面，所述激光器还包括控制单元，所述控制单元与所述扫描单元耦合并控制所述扫描单元的角度，以控制在所述第二激光谐振腔内振荡的调谐光的波长。
本发明还涉及一种激光雷达，包括：
发射装置，所述发射装置包括如上所述的激光器；
接收装置，所述接收装置配置成可接收所述激光器发出的激光在障碍物上反射后的回波；和
信号处理装置，所述信号处理装置配置成可根据所述回波获得激光雷达当前扫描的障碍物的距离和/或反射率。
根据本发明的一个方面，所述激光雷达配置成可根据获得的所述激光雷达当前扫描的障碍物的距离和/或反射率，调节所述激光器的扫描单元的角度。
本发明还涉及一种使用如上所述的激光雷达进行扫描的方法，包括：
向所述激光雷达外部发射探测激光束；
接收雷达回波；
获得所述激光雷达当前扫描的障碍物的距离和/或反射率；
根据所述障碍物的距离和/或反射率，调节所述激光雷达的激光器的发射功率。
根据本发明的一个方面，所述调节激光雷达的激光器的发射功率包括：调节所述种子光的波长，以调节所述激光雷达的激光器的发射功率。
根据本发明的一个方面，所述调节激光雷达的激光器的发射功率的步骤包括：当所述距离小于距离阈值和/或反射率高于反射率阈值时，调节所述激光器的扫描单元的角度，改变所述激光谐振腔内振荡的调谐光的波长以减小从所述滤波单元出射的激光的功率。
本发明主要提供一种激光二极管泵浦的被动调Q固体激光器，其输出功率连续可调。对于脉冲激光器而言，单脉冲能量/脉宽＝峰值功率，下文中如无特别说明，功率均指单脉冲峰值功率，能量均指单脉冲能量。
本发明的实施例相比于偏振片调节功率的方式，无需使用旋转式部件，实现了全固态结构。同时，激光器核心部分采用微片式结构，有助于降低成本，实现稳定可靠的整体封装。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的一种输出功率可调的激光器的示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例的窄带滤波器的透射谱线；
图3示出了根据本发明一个实施例的扫描单元进行扫描的示意图；
图4示出了根据本发明一个实施例的使用激光雷达进行扫描的方法。
具体实施方式
据以上介绍，目前采用偏振片调节输出激光功率存在的主要问题是整个装置的体积大。发明人发现，使用偏振片的激光功率调节装置需要采用电机带动半波片旋转，改变激光偏振方向，这样通过后面检偏器(偏振片)的激光能量就会改变。如此，由于采用了额外的机械机构(电机)，会导致整个装置的体积大，不利于固体激光器的封装和集成，不利于激光器小型化。
发明人分析研究激光雷达的需求，得出结论作为激光雷达的光源，固体激光器需要具有以下特点：
1)希望应用于激光雷达的激光器功率连续可调，以避免在探测近距离、强反射目标时出现探测器探测信号饱和的情况；
2)希望激光雷达具有高峰值功率和窄脉宽。激光雷达的光源波长在人眼可见光波段范围外，高峰值功率和窄脉宽有利于提高测量距离和信噪比；
3)激光雷达工作环境多变，其性能容易受到大气环境、气温等自然条件影响，对激光器的可靠性提出了要求。如果能将其封装成一个整体，则可实现高可靠性和稳定性；
4)希望激光器有较高的集成度，结构紧凑且成本低。
在上面的研究基础上，发明人提出了本发明实施例中的激光器，实现激光器输出功率可调，以及全固态的紧凑结构，更好地满足激光雷达对光源的需求。
下面将结合附图对本申请中激光器方案进行详细的介绍。在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了根据本发明一个实施例的输出功率可调的激光器，并且优选的，该激光器的输出功率是连续可调的。下面参考图1详细描述。
如图1所示，激光器10包括激光生成单元20和种子光生成单元30，其中，种子光生成单元30用于生成种子光Ls，种子光Ls被耦入所述激光生成单元20中，通过种子光Ls注入锁定，激光生成单元20可以产生与种子光Ls波长相同的出射激光。下面将具体描述。
在所述激光生成单元20中包括第一泵浦单元21、第一泵浦光学元件22、谐振单元以及滤波单元26，其中所述第一泵浦单元21例如为半导体激光二极管，配置成可产生第一泵浦光L1并入射到第一泵浦光学元件22上。第一泵浦光学元件22包括透镜或者透镜组或者耦合镜，用于将第一泵浦光L1进行适当整形调制并耦入到位于所述第一泵浦单元21的光路下游的谐振单元中。谐振单元用于接收所述第一泵浦光L1，并且一定波长的光束在所述谐振单元中可产生振荡并输出第一激光LO。滤波单元26配置成可接收由所述谐振单元输出的所述第一激光LO，进行滤波后出射。根据本发明的实施例，谐振单元配置成可接收所述种子光生成单元30输出的种子光Ls，从而在所述谐振单元中，波长与所述种子光Ls的波长最接近的模式优先形成振荡，因此从所述谐振单元输出的所述第一激光LO的波长与所述种子光Ls的波长相同。下面详细描述谐振单元的结构。
如图1所示，所述谐振单元包括：第一激光谐振腔(27,28)、第一增益单元23以及品质因数调节单元24。其中所述第一激光谐振腔包括第一谐振部27和第二谐振部28，第一激光谐振腔的规格由所述第一谐振部27和第二谐振部28限定。根据本发明的一个优选实施例，所述第一谐振部27例如为第一增益单元23的入射面上镀的反射膜，其对第一泵浦光波长的光具有高透过率，对激光波长的光具有高反射率，因此在图1的光路中，第一谐振部27将允许来自第一泵浦单元21的第一泵浦光L1通过，而将从所述第一增益单元23朝着所述第一泵浦单元21的光束反射回所述第一增益单元23。可替换的，第一谐振部27也可以设置在所述第一增益单元23与所述第一泵浦单元21(或所述第一泵浦光学元件22)之间，只要其允许来自第一泵浦单元11的第一泵浦光L1通过、同时激光谐振腔内朝向第一泵浦单元21的光被反射回谐振腔内即可，此处不再赘述。根据本发明的一个实施例，第二谐振部28例如包括在品质因数调节单元24的输出面上镀的对激光波长高反射率的膜，其与第一增益介质23的入射面上的第一谐振部27构成第一激光谐振腔。第二谐振部28同时允许种子光Ls通过并进入所述第一激光谐腔从而形成第一激光谐振腔特定波长光的振荡。
所述第一增益单元23中包括激光增益介质。激光增益介质用以实现粒子数翻转，以形成光放大。品质因数调节单元24包括可饱和吸收体，作为被动调Q的Q开关，用以产生激光脉冲。
激光增益介质可以为Nd:YAG、Nd:YVO4、以及Er、Yb共掺玻璃和晶体中的至少一种。所述增益介质的具体性质(中心波长或波长范围等)以及所述增益介质的具体选择可以根据所述激光器的应用领域或者所述激光器所产生激光的波长而设置，本发明对此并不限制。本实施例中，所述激光增益介质为微片型增益介质。
本发明的实施例中，品质因数调节单元24例如包括可饱和吸收体。本发明中，第一增益单元23和品质因数调节单元24加工成微片，减小了激光器尺寸。整体结构可以进行气密性封装，不仅能保证激光器尺寸小，结构紧凑，还能保证低成本。所述品质因数调节单元24内的所述可饱和吸收体的材料包括：Cr:YAG、碳纳米管或石墨烯中的至少一种。优选的，所述可饱和吸收体的材料为碳纳米管或石墨烯中的至少一种。碳纳米管或石墨烯具有良好的导热性，能够有效提高激光谐振腔内部件的导热和散热效果。根据本发明的一个优选实施例，如图1所示，所述第一增益单元23的激光增益介质和所述品质因数调节单元24的可饱和吸收体相互贴合，即所述第一增益单元23内的增益介质朝向所述品质因数调节单元24的表面与所述品质因数调节单元24内的可饱和吸收体朝向所述第一增益单元23的表面相互接触贴合。通过将激光增益介质和可饱和吸收体均加工成微片型并贴合在一起的做法，使所述激光器结构紧凑，能够有效控制激光谐振腔尺寸，有利于高重频、窄脉宽、高峰值功率的实现。
通常激光器中调Q过程的启动是随机的，脉冲之间时间间隔变化较大。而本发明中是通过注入种子光Ls来触发调Q脉冲，由于种子光Ls本身周期抖动很小(可以由调制的泵浦光实现)，因此最终输出的激光脉冲时间抖动通过注入锁定也得到了改善，激光器的一致性较好。另外，图1实施例中的激光谐振腔较短，仅包括了第一增益单元23和品质因数调节单元24的长度，因此更容易获得较高的单脉冲能量。激光增益介质与可饱和吸收体均加工成微片，并贴合在一起组成整体。整个激光器尺寸小，腔长短，结构紧凑，能够实现高重频、窄脉宽、高峰值功率。另外，整个固体激光器安装在散热底板上，采用气密性封装进金属壳体，以达到高可靠性和高稳定性。
图1中，所述第一泵浦光L1自所述第一谐振部27透射至所述第一激光谐振腔内。第一激光谐振腔可接收种子光Ls，因而在所述第一激光谐振腔中，波长与所述种子光Ls的波长最接近的模式优先形成振荡，使得从所述谐振单元输出的所述第一激光LO的波长与所述种子光Ls的波长相同。其中所述第一增益单元23与所述品质因数调节单元24位于第一谐振部27和第二谐振部28之间，所述第一激光LO自所述第二谐振部28出射。需要说明的是，在所述第一激光谐振腔内，当增益大于等于损耗时，才能在谐振腔内建立稳定的激光振荡。
另外，本领域技术人员容易理解，第一泵浦光学元件22并非是必须的。例如当第一泵浦单元21产生的第一泵浦光L1满足耦入到第一增益单元23的条件时，可以无需设置第一泵浦光学元件22。可替换的，第一泵浦光学元件22可以与第一泵浦单元21集成在一起，使得从第一泵浦单元21出射的泵浦光直接可以耦入到所述第一增益单元23中。
根据本发明的一个实施例，所述滤波单元26包括窄带滤波器，所述窄带滤波器在一定波长范围内其透过率随波长变化而连续变化，根据不同波长透过率的不同而输出功率不同的激光，从而实现输出激光功率的调节。本发明的窄带滤波器例如是FP标准具、窄带滤光片或其他具有窄带透射谱的光学元件。滤波单元26(例如FP标准具)的性能随温度变化而变化，诸如谱线斜率、宽度等。因此根据本发明的一个优选实施例，激光生成单元20还包括半导体制冷器29，半导体制冷器29作用于所述滤波单元26，通过对滤波单元26进行控温，可根据需要实现透射谱线的改变，如谱线斜率、宽度等。
图2中，曲线I为窄带滤波器的透射谱线的一个实施例，曲线II为从所述第二谐振部28出射激光的谱线。激光谱线的中心波长由所述种子光Ls决定，不同中心波长的激光在透射谱线上对应不同透射率(如图中箭头处表示当前激光谱线对应的透过率)。通过控制种子光Ls的波长，可实现波长调谐(激光谱线的中心波长移动)，在窄带滤波器中得到不同的透射率。当种子光Ls的波长连续变化时，透过窄带滤波器的激光功率会随之连续变化，从而可实现激光功率连续可调。
下面详细描述根据本发明一个优选实施例的种子光生成单元30。
如图1所示，所述种子光生成单元30包括第二泵浦单元31、第二泵浦光学元件32、第二增益单元33、分光单元34以及扫描单元35。其中第二泵浦单元31例如为半导体激光二极管，配置成可产生第二泵浦光L2并入射到第二泵浦光学元件32上。所述第二增益单元33位于所述第二泵浦单元31的光路下游并接收所述第二泵浦光L2。分光单元34配置为生成所述种子光Ls和多个不同波长的调谐光，所述不同波长的调谐光的传播方向不同。所述扫描单元35配置成可接收所述多个不同波长的调谐光，并将所述不同波长的调谐光中的至少一束原光路返回到所述分光单元34。类似于所述第一增益单元23，第二增益单元33也包括增益介质，第二增益单元33可以是微片型增益单元。
所述种子光生成单元30还包括位于所述第二泵浦单元31与所述第二增益单元33之间的反射单元38，图1中，所述反射单元38是在所述第二增益单元33的入射面上镀的反射膜，其对泵浦光波长的光具有高透过率，对激光波长的光具有高反射率，因此在图1的光路中，反射单元38将允许来自第二泵浦单元31的第二泵浦光通过，而将从所述第二增益单元33朝着所述第二泵浦单元31的光束反射回所述第二增益单元33，从而所述反射单元38、分光单元34、以及所述扫描单元35构成第二激光谐振腔，所述被扫描单元35原光路返回到所述分光单元34的调谐光最终在所述第二激光谐振腔中形成振荡，最终出射并形成种子光Ls。可替换的，反射单元38也可以设置在所述第二增益单元33与所述第二泵浦单元31(或所述第二泵浦光学元件32)之间，只要其允许来自第二泵浦单元31的第二泵浦光通过、同时激光谐振腔内朝向第二泵浦单元31的光被反射回谐振腔内即可，此处不再赘述。
所述分光单元34例如包括衍射光栅，由衍射光栅的0级作为种子光Ls的输出。经第二增益单元33的光入射至衍射光栅，根据光栅方程可知在(非0级)同一级次，不同波长的光的衍射角不同。本发明中的衍射光栅例如为-1级高衍射效率光栅，-1级宽带衍射效率可实现超过95％。因此，所述分光单元34可以在-1级产生多个不同波长的调谐光，并基于部分调谐光在激光谐振腔内的振荡，在0级出射不同波长的种子光Ls。本实施例中，所述分光单元34的光栅能够有效保证生成种子光Ls以及多个调谐光的分光效果，而且还能够通过合适光栅的选择(如具有较小的光栅常数)使不同波长之间调谐光的传播方向差异足够大以降低后续扫描单元的选择难度。但是，本发明其他实施例中，所述分光单元34也可以设置为其他能够将多个调谐光分开的光学装置，例如棱镜，这些都在本发明的保护范围内。
如图1所示，所述分光单元34为透射式光栅，例如深刻蚀二元相位光栅，种子光从透射0级出射，多个不同波长的调谐光在透射-1级被分开后沿不同方向传播。在所述分光单元34中采用透射式光栅实现分光的做法仅为一示例。本发明其他实施例中，所述光栅也可以包括反射式光栅，此处不再赘述。
此外，除了-1级高衍射效率光栅，所述光栅也可以包括+1级高衍射效率光栅。在所述光栅为-1级高衍射效率光栅时，所述分光单元34在所述-1级高衍射效率光栅的0级光出射方向生成所述种子光Ls，在所述-1级高衍射效率光栅的-1级衍射光出射方向生成所述多个调谐光；在所述光栅为+1级高衍射效率光栅时，所述分光单元34在所述+1级高衍射效率光栅的0级光出射方向生成所述种子光Ls，基于所述+1级高衍射效率光栅的+1级衍射光出射方向生成所述多个调谐光。
在所述分光单元34中采用-1级高衍射效率光栅或+1级高衍射效率光栅实现分光，能够有效提高所述分光单元34所生成的所述多个调谐光的能量，同时降低了第二激光谐振腔的输出透过率(即光在激光谐振腔中来回反射时向外部的能量损失)，从而能够有效降低激光谐振腔损耗、减少泵浦光的能量浪费，能够有效控制所述种子光的脉冲能量。
扫描单元35在一定范围内进行角度扫描，扫描单元35的表面镀有对种子光波长范围(或第二增益单元增益波长范围)高反射率的介质膜，扫描单元35与反射单元38、及分光单元34共同构成第二激光谐振腔。所述扫描单元35通过摆动或转动的方式改变所述多个调谐光的入射角度，并使垂直入射至所述扫描单元35的调谐光按原光路返回，经所述分光单元34，所述第二增益单元33后，投射至所述反射单元38以在所述第二激光谐振腔内形成对应波长的调谐光的来回反射。非垂直入射至所述扫描单元35上的光则会被反射出激光谐振腔。如图3中所示，在t0、t1、t2时刻，波长为λ0、λ1、λ2的调谐光分别垂直入射至扫描单元35，被扫描单元35反射沿原光路返回最终在激光谐振腔内形成激光振荡。在所述激光谐振腔内，当增益大于等于损耗时，在谐振腔内就会建立稳定的激光振荡。因此在t0、t1、t2时刻，所述激光谐振腔中分别开始形成波长为λ0、λ1、λ2的调谐光的振荡，即所述激光谐振腔能够在不同时刻实现不同波长光的振荡，从而实现了种子光Ls的波长调谐。图1中示出了种子光生成单元30包括一个扫描单元35，本发明不限于此，也可包括多个扫描单元。
由此可见，所述种子光生成单元30的波长调谐的速度与所述扫描单元35对不同波长调谐光选择速度相关。本实施例中，所述扫描单元35对不同波长调谐光的选择速度与所述扫描单元35摆动或转动的速度相关。根据本发明一个实施例，所述扫描单元35包括振镜。通过振镜的高振动频率，能够快速改变所述多个调谐光入射角度，在所述多个调谐光中实现高速选择，从而高速改变第二激光谐振腔内形成激光振荡的调谐光，进而实现高速波长调谐。而且，所述扫描单元35可以包括MEMS振镜，从而能够有效减小扫描单元35的体积，有利于提高激光器的集成度。本发明中，扫描单元35例如是基于MEMS加工技术的硅工艺或非硅工艺的微扫描镜，通过对MEMS扫描镜线圈连接的电极施加交变电流即可产生微扫描镜的摆动。微扫描镜例如是谐振式、毫米级尺寸，有利于激光器小型化。
根据本发明的一个实施例，在种子光生成单元30中没有设置品质因数调节单元，因此产生的种子光能量较低。分光单元34和扫描单元35可在不同时刻选出特定波长的光，由衍射光栅的0级作为输出，产生种子光Ls。
为了将种子光Ls耦入到所述激光器的第一激光谐振腔中，所述激光器10的激光生成单元20还包括分束器25，诸如半透半反镜，所述分束器2配置成可接收所述种子光Ls并将所述种子光Ls的至少一部分反射到第二谐振部28上，并通过所述第二谐振部28透射至所述第一激光谐振腔内，并且分束器25可接收所述第一激光LO并将所述第一激光LO的至少一部分透射，被透射的所述第一激光LO的至少一部分入射至所述滤波单元26上。
另外根据本发明的一个优选实施例，如图1所示，所述激光器10还包括反射镜36和光隔离器37，所述反射镜36接收种子光Ls并通过反射改变其方向，使其入射到光隔离器37上，光隔离器37接收所述种子光Ls并仅允许所述种子光Ls单向通过，通过所述光隔离器的种子光Ls入射到所述分束器上25上并至少部分进入第一激光谐振腔中，从而在调Q启动过程中注入弱信号，使得在第一激光谐振腔中，频率与注入信号频率最接近的模式优先起振，其他模式被抑制，使得激光器输出的第一激光LO的波长与种子光Ls波长一样。因此，经第一激光谐振腔出射激光脉冲波长即被锁定种子激光的波长。可以理解的是所述反射镜36并非必需，种子光Ls可以直接入射至光隔离器37中，反射镜36的使用可进一步对光束折转，使结构更加紧凑。所述第一激光LO经分束器25后入射至滤波单元26(例如窄带滤波器)，通过滤波进行功率调节后出射。本专利申请中的窄带滤波器可以是FP标准具、窄带滤光片或其他具有窄带透射谱的光学元件。
因此，本发明的实施例中，通过采用种子光注入锁定、激光调谐结合窄带滤波器的方式，实现了被动调Q固体激光器输出功率可调。
图1中示出了激光器10包括种子光生成单元30。本领域技术人员容易理解，本发明不限于此，激光器10也可以不包括种子光生成单元，而是直接耦入种子光，这些都在本发明的保护范围内。
根据本发明的一个优选实施例，所述激光器10还包括控制单元，所述控制单元与所述扫描单元35耦合并控制所述扫描单元35的角度，以控制在所述第二激光谐振腔内振荡的调谐光的波长，从而控制种子光的波长以及所述第一激光LO的波长。
根据本发明的一个实施例，所述激光器10还包括检测单元，所述检测单元可检测所述第一激光谐振腔中激光振荡形成产生输出激光的时刻。检测单元可包括光电二极管。所述检测单元通过对所述分束器25的输出光束进行检测以获得所述激光振荡形成产生输出激光的时刻。
本发明的实施例相比于偏振片调节功率的方式，无需使用旋转式部件，实现了全固态结构。同时，激光器核心部分采用微片式结构，有助于降低成本，实现稳定可靠的整体封装。
本发明还涉及一种激光雷达，包括：发射装置、接收装置、以及信号处理装置。其中发射装置中包括一个或多个如上所述的激光器10，从而发射出探测激光束。探测激光束在障碍物上发生漫反射，部分反射光束返回到激光雷达，作为雷达回波被接收装置所接收。所述信号处理装置配置成可根据所述雷达回波获得激光雷达当前扫描的障碍物的距离和/或反射率，并生成点云数据。
根据本发明的一个实施例，所述激光雷达可根据获得的所述激光雷达当前扫描的障碍物的距离和/或反射率，调节所述种子光Ls的波长(例如通过调节扫描单元35的角度来调节种子光Ls的波长)，从而调节激光器的发光功率。例如，所述激光雷达可根据当前探测到的障碍物的距离和/或反射率，判断距离是否小于预设的距离阈值，反射率是否高于预设的反射率阈值。当判断出障碍物的距离小于预设的距离阈值、和/或反射率高于预设的反射率阈值时，激光雷达的发射装置在进行下一次探测光束的发射时，优选地需要降低激光器的激光脉冲的能量，否则会出现接收装置的探测器信号饱和的情况，影响探测性能。为此，激光雷达配置为可控制激光器调节激光器的扫描单元的角度，使得在第二激光谐振腔中形成振荡并出射的种子光的波长(进而第一激光的波长)进一步偏离所述滤波单元中窄带滤波器的通带的中心波长，从而减小激光脉冲的能量。另外或者可替换的，当判断出障碍物的距离大于预设的距离阈值、和/或反射率小于预设的反射率阈值时，激光雷达的发射装置在进行下一次探测光束的发射时，优选地需要提高激光器的激光脉冲的能量，以提高探测性能。为此，激光雷达配置为可控制激光器调节激光器的扫描单元的角度，使得在激光谐振腔中形成振荡并出射的种子光的波长(进而第一激光的波长)进一步靠近所述滤波单元中窄带滤波器的通带的中心波长，从而增大出射的激光脉冲的能量。
本发明还涉及一种使用如上所述的激光雷达进行扫描的方法200，包括：
在步骤S201，向所述激光雷达外部发射探测激光束。
在步骤S202，接收雷达回波。例如可通过激光雷达接收装置中的光电探测器来接收雷达回波并将回波信号转换为电信号。
在步骤S203，获得所述激光雷达当前扫描的障碍物的距离和/或反射率。通过对所述电信号进行处理，包括但不限于放大、滤波、模数转换等，可以获得当前扫描障碍物的距离和/或反射率等参数。
在步骤S204，根据所述障碍物的距离和/或反射率，调节所述激光雷达的激光器的发射功率。其中，根据一个优选的实施例，当所述距离小于距离阈值和/或反射率高于反射率阈值时，调节所述激光器的扫描单元的角度，改变所述第二激光谐振腔内振荡的调谐光的波长，使得在第二激光谐振腔中形成振荡并出射的种子光波长(进而第一激光的波长)进一步远离所述滤波单元中窄带滤波器的通带的中心波长，从而减小出射的激光脉冲的能量。另外或者可替换的，当判断出障碍物的距离大于预设的距离阈值、和/或反射率小于预设的反射率阈值时，激光雷达的发射装置在进行下一次探测光束的发射时，优选地需要提高激光器的激光脉冲的能量，以提高探测性能。为此，激光雷达配置为可控制激光器调节激光器的扫描单元的角度，使得在第二激光谐振腔中形成振荡并出射的种子光的波长(进而第一激光的波长)进一步靠近所述滤波单元中窄带滤波器的通带的中心波长，从而增大出射的激光脉冲的能量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种激光器，包括：
第一泵浦单元，所述第一泵浦单元配置成可产生第一泵浦光；
谐振单元，所述谐振单元设置在所述第一泵浦单元的光路下游，用于接收所述第一泵浦光并输出第一激光；和
滤波单元，所述滤波单元配置成可接收由所述谐振单元输出的所述第一激光，滤波后出射，
其中所述谐振单元配置成可接收种子光，从所述谐振单元输出的所述第一激光的波长与所述种子光的波长相同；通过调节所述种子光的波长，以调节透过所述滤波单元的激光功率，所述滤波单元包括窄带滤波器，当所述种子光的波长连续变化时，透过所述窄带滤波器的激光功率会随之连续变化，从而可实现激光功率连续可调；其中所述谐振单元包括第一激光谐振腔，所述第一激光谐振腔包括第一谐振部和第二谐振部，其中所述种子光通过所述第二谐振部进入所述第一激光谐振腔。
2.如权利要求1所述的激光器，所述第一泵浦光自所述第一谐振部透射至所述第一激光谐振腔内，所述第一激光自所述第二谐振部出射，其中所述第一激光谐振腔配置成可接收种子光，在所述第一激光谐振腔中，波长与所述种子光的波长最接近的模式优先形成振荡，使得从所述谐振单元输出的所述第一激光的波长与所述种子光的波长相同；
第一增益单元；
品质因数调节单元；
其中所述第一增益单元与所述品质因数调节单元位于第一谐振部和第二谐振部之间。
3.如权利要求1或2所述的激光器，还包括种子光生成单元，所述种子光生成单元包括：
第二泵浦单元，所述第二泵浦单元配置成可产生第二泵浦光；
第二增益单元，所述第二增益单元位于所述第二泵浦单元的光路下游并接收所述第二泵浦光；
分光单元，所述分光单元配置为生成所述种子光和多个不同波长的调谐光，所述不同波长的调谐光的传播方向不同；
扫描单元，所述扫描单元配置成可接收所述多个不同波长的调谐光，并将所述不同波长的调谐光中的至少一束原光路返回到所述分光单元；
位于所述第二泵浦单元与所述第二增益单元之间的反射单元，所述反射单元配置成可将从所述第二增益单元朝着所述第二泵浦单元的光束反射回所述第二增益单元，所述反射单元、分光单元、以及所述扫描单元构成第二激光谐振腔，所述被原路返回到所述分光单元的调谐光最终在所述第二激光谐振腔中形成振荡。
4.如权利要求3所述的激光器，其中所述扫描单元通过摆动或转动的方式改变所述多个调谐光的入射角度，并使垂直入射至所述扫描单元的调谐光按原光路返回，经所述分光单元，投射至所述反射单元以在所述第二激光谐振腔内形成对应波长的调谐光的来回反射。
5.如权利要求3所述的激光器，其中所述分光单元包括：光栅，所述光栅包括：反射式光栅或透射式光栅中的至少一种。
6.如权利要求5所述的激光器，其中所述光栅包括：-1级高衍射效率光栅或+1级高衍射效率光栅；
所述分光单元在所述-1级高衍射效率光栅的0级光出射方向生成出射激光，在所述-1级高衍射效率光栅的-1级衍射光出射方向生成所述多个调谐光；
或者，所述分光单元在所述+1级高衍射效率光栅的0级光出射方向生成出射激光，在所述+1级高衍射效率光栅的+1级衍射光出射方向生成所述多个调谐光。
7.如权利要求1或2所述的激光器，其中所述滤波单元包括窄带滤波器，所述窄带滤波器在一定波长范围内其透过率随波长变化而连续变化。
8.如权利要求1或2所述的激光器，还包括分束器，所述分束器配置成可接收所述种子光并将所述种子光的至少一部分反射，以及可接收所述第一激光并将所述第一激光的至少一部分透射，其中，被反射的所述种子光的至少一部分自第二谐振部透射至所述第一激光谐振腔内，被透射的所述第一激光的至少一部分入射至所述滤波单元上。
9.如权利要求8所述的激光器，还包括光隔离器，所述光隔离器接收所述种子光并仅允许所述种子光单向通过，通过所述光隔离器的种子光入射到所述分束器上。
10.如权利要求3所述的激光器，其中所述第一增益单元和/或第二增益单元包括增益介质，所述第一增益单元和/或第二增益单元为微片型增益单元；所述品质因数调节单元包括可饱和吸收体，所述可饱和吸收体为微片型可饱和吸收体，所述第一增益单元和所述品质因数调节单元相互贴合。
11.如权利要求3所述的激光器，其中所述激光器还包括控制单元，所述控制单元与所述扫描单元耦合并控制所述扫描单元的角度，以控制在所述第二激光谐振腔内振荡的调谐光的波长。
12.一种激光雷达，包括：
发射装置，所述发射装置包括如权利要求1到11中任意一项所述的激光器；
接收装置，所述接收装置配置成可接收所述激光器发出的激光在障碍物上反射后的回波；和
信号处理装置，所述信号处理装置配置成可根据所述回波获得激光雷达当前扫描的障碍物的距离和/或反射率。
13.如权利要求12所述的激光雷达，其中所述激光雷达配置成可根据获得的所述激光雷达当前扫描的障碍物的距离和/或反射率，调节所述激光器的扫描单元的角度。
14.一种使用如权利要求12-13中任一项所述的激光雷达进行扫描的方法，包括：
向所述激光雷达外部发射探测激光束；
接收雷达回波；
获得所述激光雷达当前扫描的障碍物的距离和/或反射率；
根据所述障碍物的距离和/或反射率，调节所述激光雷达的激光器的发射功率。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述调节激光雷达的激光器的发射功率包括：调节所述种子光的波长，以调节所述激光雷达的激光器的发射功率。
16.如权利要求14或15所述的方法，其中所述调节激光雷达的激光器的发射功率的步骤包括：当所述距离小于距离阈值和/或反射率高于反射率阈值时，调节所述激光器的扫描单元的角度，改变所述激光谐振腔内振荡的调谐光的波长以减小从所述滤波单元出射的激光的功率。
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