CN113491043B - 用于激光雷达的激光*** - Google Patents

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Abstract

提供了一种激光***。该激光***(1000)包括：种子激光器(1003)，配置为产生种子光脉冲序列(1013)，其中种子光脉冲序列(1013)在扫掠周期中以可变时间间隔产生；泵浦激光器(1001)，配置为在扫掠周期中产生具有可变幅度的泵浦光(1011)；控制单元(1009)，配置为向泵浦激光器(1001)生成命令以将泵浦光(1011)与种子光脉冲序列(1013)同步。

Description

用于激光雷达的激光***
背景技术
激光雷达(光探测和测距)技术可用于通过测量到物体的距离来获取环境的三维信息。激光雷达***可以包括至少一个被配置为发射光脉冲的光源和至少一个被配置为接收返回光脉冲的探测器。返回的光脉冲或光束可以被称为回波光束。基于光脉冲的发射和返回光脉冲的检测之间的经过时间(即，飞行时间)，可以获得距离。光脉冲可由激光发射器产生，然后通过透镜或透镜组件整形(准直或聚焦)。返回的光脉冲可由位于激光发射器附近的探测器接收。返回的光脉冲可以是来自物体表面的散射光。
在某些情况下，可以将多个光脉冲或光脉冲序列发射到环境中以进行大面积扫描。重要的是，为激光雷达***提供具有改进的激光控制能力的光源，以便在各种应用中可以很好地稳定或控制输出的光脉冲。
发明内容
存在对于改进的激光雷达***的需求，用于三维测量。还需要具有细粒度可控扫描图案的激光雷达***。在一些情况下，激光雷达***可以利用扫描器在一个或多个方向上引导一个或多个光束，这可能需要根据扫描器的移动来发射光束。在一些情况下，为了实现期望的扫描图案，光源可以发射光脉冲，其时间间隔和幅度以细粒度水平被控制。所提供的激光雷达***可以通过提供被配置为根据具有改进性能的扫描器操作的光源来满足上述需求。在一些情况下，为了实现期望的扫描图案，本公开的***或方法提供用于控制光源从而控制光源发射的光脉冲之间的时间间隔或光脉冲的幅度的机制。所提供的机制可以允许稳定光脉冲的幅度和/或峰值功率而不管时间间隔的变化。
在一些方面，提供了一种激光***。在实践中，激光***可以包括：种子激光器，配置为产生种子光脉冲序列，其中种子光脉冲序列在扫掠周期中以可变的时间间隔产生；泵浦激光器，配置为在扫掠周期中产生具有可变幅度的泵浦光；耦合到种子激光器和泵浦激光器的光纤放大器；控制单元，配置为向泵浦激光器生成命令以将泵浦光与种子光脉冲序列同步。
在一些实施例中，扫掠周期可对应于沿扫描器快轴的扫描周期。在一些实施例中，命令是响应于接收到位置信号而生成的。在某些情况下，位置信号由扫描器的位置传感器生成。在某些情况下，位置信号在扫掠周期的开始或结束时生成。
在一些实施例中，可变幅度是基于种子光脉冲的可变时间间隔预先确定的。在一些情况下，激光***还包括耦合到种子激光器和泵浦激光器的光纤放大器。在一些情况下，激光***还包括连接到光纤放大器输出端的拉曼增益光纤。在一些示例中，激光***还包括滤光器，滤光器位于拉曼增益光纤的输出端，用于去除从拉曼增益光纤输出的不需要的光。在一些情况下，激光***还包括耦合到光纤放大器的调整激光器。在一些情况下，调整激光器被配置为产生提供给放大器的调整光，以消耗在更大的时间间隔期间产生的能量。在一些情况下，调整激光器在与种子光脉冲的波长不同的波长下工作。在一些情况下，调整激光器被配置为当检测到激光***的输出光束具有大于预定阈值的功率时产生调整光。
在一些实施例中，提供了包括激光***的激光雷达***。在一些实施例中，激光雷达***包括扫描器并且从激光***输出的光束被引导到扫描器。在一些情况下，扫描器包括被配置为测量扫描器的扫描镜的角度的位置传感器。在一些示例中，位置传感器是光学位置传感器或位置敏感探测器。
在另一方面，提供了一种激光***。在实践中，激光***可以包括：种子激光器，配置为产生种子光脉冲序列，其中种子光脉冲序列在扫掠周期中以可变的时间间隔产生；泵浦激光器，配置为产生泵浦光；耦合到种子激光器和泵浦激光器的光纤放大器；以及调整激光器，其配置为产生提供给光纤放大器的调整光，其中调整光用于在较大的时间间隔内消耗光纤放大器中产生的能量。
在一些实施例中，调整激光器在与种子光脉冲的波长不同的波长下工作。在一些实施例中，当检测到激光***的输出光束具有大于预定阈值的功率时产生调整光。在一些实施例中，当在一段时间内检测到激光***的输出光束具有大于预定阈值的功率时，产生调整光。
在一些实施例中，响应于接收到指示扫掠周期的开始或结束的位置信号而产生调整光。在一些实施例中，激光***还包括连接到光纤放大器的输出端的拉曼增益光纤。在一些情况下，激光***还包括位于拉曼增益光纤输出端的滤光器，用于去除从拉曼增益光纤输出的不需要的光。
在一些实施例中，扫掠周期对应于沿快速扫描方向的扫描周期。在一些实施例中，泵浦光具有恒定的幅度。
在替代实施例中，泵浦光具有可变幅度。在一些实施例中，激光***还包括控制单元，该控制单元被配置为向泵浦激光器生成命令以将泵浦光与种子光脉冲序列同步。在某些情况下，响应于接收到位置信号而生成命令。在一些情况下，控制单元被配置为向调整激光器和泵浦激光器两者生成命令。在一些示例中，位置信号由扫描器的位置传感器生成。
在一些实施例中，提供了包括激光***的激光雷达***。在一些实施例中，激光雷达***包括扫描器并且从激光***输出的光束被引导到扫描器。在一些情况下，扫描器包括被配置为测量扫描器的扫描镜的角度的位置传感器。在一些示例中，位置传感器是光学位置传感器或位置敏感探测器。
从以下详细描述中，本公开的其他方面和优点对于本领域技术人员来说将变得容易显而易见，其中仅通过说明预期用于执行的最佳图案的方式示出和描述了本公开的示例性实施例本公开。应当理解，本公开可以有其他不同的实施例，并且其多个细节可以在各种明显的方面进行修改，所有这些都不背离本公开。因此，附图和描述在本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。
通过引用并入
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均以引用方式并入本文，其程度就如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指示为以引用方式并入一样。
附图说明
在所附权利要求中具体阐述了本发明的新颖特征。参考以下阐述其中利用了本发明的原理的说明性实施例的详细描述和附图，将更好地理解本发明的特征和优点，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的一些实施例的激光雷达***的示例。
图2图示了由于非均匀时间间隔而具有变化幅度的光脉冲的示例。
图3示意性地图示了使用可变泵浦光来控制信号光脉冲的示例。
图4示出了被配置为提供触发信号以同步泵浦光和种子光的传感器的示例。
图5示出了根据本发明一些实施例的光源的示例的框图。
图6示意性地图示了在拉曼增益光纤的辅助下稳定光脉冲的示例。
图7示出了根据本发明的一些实施例的采用附加传输光纤710的光源的框图。
图8示意性地图示了根据本发明的一些实施例的利用调整激光器来稳定信号光的示例。
图9示出了根据本发明的一些实施例的利用调整激光器和传输光纤来稳定输出光束的光源的示例。
图10示出了根据本发明的一些实施例的利用调整激光器、位置信号和传输光纤以共同的方式稳定输出光束的光源的示例。
具体实施方式
虽然这里已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员来说，这些实施例仅作为示例提供是显而易见的。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、变化和替换。应当理解，在实践本发明时可以采用对这里描述的本发明的实施例的各种替代。
激光雷达***可被称为激光测距***、激光雷达***或激光探测和测距(LADAR或ladar)***。激光雷达是一种测距传感器，其特点是探测距离长、分辨率高、受环境干扰小。激光雷达已广泛应用于智能机器人、无人机、自主驾驶或自动驾驶等领域。激光雷达的工作原理是根据源和目标之间电磁波的往返时间(例如，飞行时间)测量距离。
在一些情况下，激光雷达***可以包括发射激光脉冲到环境中以扫描空间的发射设备。沿着该扫描图案，多个激光束点可以均匀分布，或者也可以不均匀分布。激光束点沿着扫描图案的分布可以通过多种因素来控制，例如多个光源的布置或扫描器的移动。在某些情况下，可通过配置或改变激光脉冲之间的时间间隔来影响激光束点的分布。所提供的***和方法允许可配置的激光脉冲，从而可以根据扫描图案控制激光脉冲。
在一些实施例中，激光雷达***的光源可以包括光纤激光器。光纤激光器可以使用掺杂稀土元素作为增益介质的光纤来构建，并用光能泵浦。光纤可以是玻璃类材料、晶体或玻璃-纳米-晶体复合材料或其他合适的材料。
如本文所用，除非上下文另有说明，否则在整个说明书中可互换地使用术语“光脉冲序列”、“脉冲序列”、“信号序列”等。除非上下文另有说明，否则术语“测量信号”、“测量脉冲”、“信号光”、“输出光束”、“激光脉冲”、“光束”等可以指从激光雷达***的发射设备发射的光脉冲。术语“回波束”、“返回信号”、“返回脉冲”等可以指由激光雷达***的探测器接收的光脉冲并且在整个说明书中可互换使用，除非上下文另有说明。
然后可以将输出光束或信号光引导到空间中用于测量。例如，输出光束可以具有大约1mW、10mW、100mW、1W、10W的平均功率或任何其他合适的平均功率。作为另一个示例，输出光束可以包括具有大约0.1μJ、1μJ、10μJ、100μJ、1mJ的脉冲能量或任何其他合适的脉冲能量的脉冲。作为另一个示例，输出光束可以包括峰值功率约为10W、100W、1kW、2kW、5kW、10kW或任何其他合适的峰值功率的脉冲。持续时间为400ps且脉冲能量为1μJrg的光脉冲具有大约2.5kW的峰值功率。如果脉冲重复频率为500kHz，则具有lμJ脉冲的输出光束的平均功率约为0.5W。在某些情况下，输出光束的波长可能在900nm到1600nm的范围内或在任何其他合适的范围内。在某些情况下，输出光束的波长可能在1530nm到1570nm的范围内，以提供对人眼安全的激光。
图1示意性地示出了激光雷达***100的示例。在一些实施例中，激光雷达***100可以包括发射模块110、探测模块、扫描器120和多个光学部件，例如透镜组件161、165、镜部163。
发射模块110可以包括至少一个被配置为产生激光束或光脉冲的光源。取决于具体应用，激光束的波长可以在任何合适的范围内。在某些情况下，光源可包括对人眼安全的激光器。人眼安全的激光器可以指发射波长、平均功率、峰值功率、峰值强度、脉冲能量、光束大小、光束发散度或发光时间(exposure time)使得从激光器发出的光几乎没有或没有可能导致对人的眼睛造成伤害的激光器。例如，光源可归类为1类激光产品(由国际电工委员会(IEC)的60825-1标准规定)或I类激光产品(如美国联邦法规(CFR)第21条第1040.10节规定)，它们在所有正常使用条件下都是安全的。在一些实施例中，光源可以包括配置为在大约1400nm至大约2100nm之间的任何合适波长下工作的人眼安全的激光器(例如，1类或I类激光器)。在某些情况下，光源可以包括工作波长在大约1400nm至大约1600nm之间的人眼安全激光器。在某些情况下，光源可以包括工作波长在大约1530nm至大约1570nm之间的人眼安全的激光器。
在一些情况下，光源可以包括光纤激光器模块。在一个示例中，光纤激光器模块可以包括峰值波长约为1550nm的电流调制激光二极管，其后是单级或多级掺铒光纤放大器(EDFA)。光纤激光器模块可以包括种子激光器、泵浦激光器、光放大器(例如增益光纤或光纤放大器)和其他组件。关于光纤激光器或光源的细节将在后面讨论。
输出光束或信号光可被引导至一个或多个光学元件(例如，反射器)和/或穿过用于准直或聚焦光束111的透镜组件161(例如，准直透镜、准直透镜组件)。激光雷达***100可以包括任何合适的光学部件，例如一个或多个透镜、镜部、滤光器(例如，带通或干涉滤光器)、分束器、偏振器、偏振分束器、波片(例如，半波或四分之一波片)、衍射元件或全息元件、望远镜，以将输出光束111扩展、聚焦或准直至期望的光束直径或发散度。
类似地，返回光束131可以穿过一个或多个光学部件165，使得返回光束可以被引导、聚焦到探测模块130的探测器的有源区域上。所述一个或多个光学部件可以包括例如，一个或多个镜部(例如，平面镜、凹面镜、凸面镜、抛物面镜)或透镜/透镜组件，用于将返回的光束引导至探测器。
激光雷达***100可以包括镜部163，其被配置为允许信号光111穿过镜部同时将返回光束131引导至探测器。在一些情况下，镜部163可以包括允许信号光111通过的孔、槽或孔口。在一些情况下，镜部163可以被配置为使得信号光111的至少一部分(例如，至少90％、80％、70％、60％等)穿过镜部并且返回光束131的至少一部分(例如，至少90％、80％、70％、60％等)被镜部163反射。在一些情况下，镜部163可以提供信号光111和返回光束131基本上是同轴，从而使两束光束沿基本相同的光路传播，但方向相反。例如，镜部163可以包括信号光111穿过的孔、槽或孔口以及将返回光束131的至少一部分朝向探测模块130的探测器的有源区域反射的反射表面。
探测模块130可以包括一个或多个被配置为接收返回光束的探测器。探测器可以是光电接收器、光接收器、光传感器、光电探测器或光探测器。在一些情况下探测模块130可以包括一个或多个雪崩光电二极管(APDs)或一个或多个单光子雪崩二极管(SPADs)。在一些情况下，探测模块可以包括一个或多个PN光电二极管(例如，由p型半导体和n型半导体形成的光电二极管结构)或一个或多个PIN光电二极管(例如，由位于p型区域与n型区域之间的未掺杂本征半导体区域形成的光电二极管结构)。
返回的光束131可以被引导到探测器的有源区域。有源区域可以具有任何合适的尺寸或直径，例如大约25μm、50μm、80μm、100μm、200μm、500μm、1mm、2mm或5mm的直径。在一些情况下，镜部163可以具有基本上平坦的反射表面或者反射表面可以是弯曲的(例如，镜部可以是被配置为将返回光束131聚焦到接收器的有源区域上的离轴抛物面镜部)。镜部163的反射表面可以包括反射金属涂层(例如，金、银或铝)或反射介电涂层，并且反射表面可以在光源的工作波长处具有任何合适的反射率R(例如，R大于或等于70％、80％、90％、95％、98％或99％)。
在一些实施例中，激光雷达***100可以包括光学接收装置165(例如，聚焦透镜、聚焦透镜组件)、诸如镜部163的一个或多个光学元件(例如，反射器)，光学元件允许来自外部物体的反射光通过该光接收装置165，然后由探测模块130接收。接收的光信号可以转换为电信号并由控制器140处理。
激光雷达***100可包括扫描器120以在一个或多个方向上引导输出光束111。在一些情况下，扫描器120可以包括一个或多个扫描镜，其被配置为围绕一个或多个轴以有角度的方式旋转、振荡、倾斜、枢转或移动。在一些情况下，平面扫描镜可以附接到扫描器致动器或机构，该扫描器致动器或机构致动镜部以在特定角度范围内扫描。在一些情况下，扫描器120可以包括谐振扫描器或振镜。扫描器可由任何合适的致动器或机构致动，例如振镜扫描器、压电致动器、多边形扫描器、旋转棱镜扫描器、音圈电机、电动机(例如直流电机、无刷直流电机、同步电动机或步进电机)，或微机电***(MEMS)装置等。谐振扫描器(其可被称为谐振致动器)可包括由致动器驱动以产生基本固定频率(例如，1kHz)的周期性振荡的类似弹簧的机构。
扫描器120可以包括具有任何合适的几何形状或尺寸的扫描镜。在某些情况下，扫描镜的直径或宽度可以在大约3毫米到15毫米之间，其中使用电磁致动来旋转扫描镜。在一些情况下，扫描镜还可以接收返回光束131并将返回光束131引导至镜部163。在示例中，扫描镜可由音圈电机(其可被称为音圈致动器)致动，该音圈电机可包括磁体和线圈。当向线圈提供电流时，会向磁体施加平移力，这会导致附接到磁体的扫描镜移动或旋转。振镜扫描器(其可被称为振镜致动器)可以包括具有磁铁和线圈的基于振镜的扫描电机。当向线圈提供电流时，旋转力会施加到磁铁上，这会导致附接到振镜扫描器上的镜部旋转。可以控制提供给线圈的电流以动态地改变振镜的位置。
在一些实施例中，扫描器120可以是二维扫描镜，其可以被驱动围绕彼此垂直的两个轴旋转/振动/谐振。扫描镜在两轴上可能有两种不同的谐振频率，扫描镜谐振频率较高的轴称为快轴，扫描镜谐振频率较低的轴称为慢轴。扫描镜绕快轴旋转称为快扫描，扫描镜绕慢轴旋转称为慢扫描。扫描镜可以由设置在磁场中的电线圈驱动，同时绕快轴和慢轴旋转，即快扫描和慢扫描同时进行，形成近似光栅扫描。优选地，快轴谐振频率为慢轴谐振频率的整数倍。此外，优选地，扫描镜谐振地工作。然而，扫描镜也可以非谐振地工作。
在一些实施例中，扫描器120可以包括扫描器控制单元121，其可以控制扫描镜以在期望的方向上或沿着期望的扫描图案引导输出光束111。在一些情况下，扫描器120还可包括一个或多个传感器123，其被配置为检测扫描镜的角度位置和/或角运动。位置信号150可传送至扫描器控制单元121以控制扫描器的驱动信号。在一些实施例中，位置信号150或位置传感器123产生的传感器信号可以被发射模块110用来协调光脉冲和扫描镜的运动。将在后面描述关于使用位置信号来稳定光脉冲的细节。任何合适的传感器(例如，位置敏感探测器)可用于检测镜部的运动或角位置。例如，可以使用压阻、光电探测器、光学位置传感器(OPS)、位置敏感探测器(PSD)或其他传感器来感测运动或位置。
扫描器120可以被配置为在一定角范围内扫描输出光束111。在一些情况下，扫描器120可以被配置为在5度角范围、20度角范围、30度角范围、60度角范围或任何其他合适的角范围上扫描输出光束111。作为示例，扫描镜可以被配置为在15度范围上周期性地来回振荡或旋转，这导致输出光束111在30度范围上扫描(例如，扫描镜旋转Θ度导致输出光束的2Θ度角的扫描)。在一些实施例中，激光雷达***100的观测场(FOR)可以指激光雷达***可以被配置为扫描或捕获距离信息的面积、区域或角范围。作为示例，具有30度扫描范围的输出光束111的激光雷达***可被称为具有30度角观测场。作为另一示例，具有在30度范围内旋转的扫描镜的激光雷达***100可以产生在60度范围内(例如，60度FOR)扫描的输出光束111。在特定实施例中，激光雷达***100可以具有大约10°、20°、40°、60°、120°或任何其他合适的FOR。在某些情况下，FOR可被称为扫描区域。
在某些情况下，输出光束或信号光的幅度或峰值功率不稳定。在某些情况下，这可能是由光脉冲之间的不均匀时间间隔引起的。在一些情况下，不均匀时间间隔可能是优选的，使得密集的光斑以可控方式发射到选定区域中。例如，光斑可能优选在线扫描的中间更密集，或者在检测到目标物体并且需要细节的区域中更密集。在使用谐振扫描器的情况下，谐振扫描器的扫描速度是不断变化的。像钟摆一样，扫描器可能会向中心加速，然后朝着扫掠结束的位置减速。然后反转循环。相应地，可以产生时间间隔不均匀的光脉冲序列，从而根据谐振扫描器的运动(可变速率)工作，使光斑沿快速扫描方向的空间分布均匀。在使用光纤激光器作为光源的情况下，不均匀的时间间隔可能会导致变化的泵浦时间，从而导致具有不同的峰值功率或幅度的输出脉冲。所提供的发射模块或激光雷达***可以提供改进的激光控制，从而可以稳定或控制光脉冲的幅度，与不均匀的时间间隔无关。
图2图示了由于不均匀时间间隔而具有变化幅度的光脉冲230的示例。在某些情况下，可以将光脉冲的序列发射到空间中。在一个示例中，光脉冲序列可以由扫描器控制并透射到二维平面上以形成扫描图案240。扫描器可以与结合图1描述的扫描器120相同。例如，扫描器可以包括扫描器控制单元，该扫描器控制单元可以控制扫描镜以便在期望的方向上或沿着期望的扫描图案引导输出光束。在一些情况下，扫描图案240(其可被称为光学扫描图案、光学扫描路径或扫描路径)可指输出光束被引导所沿的图案或路径。
传统上，快速扫描在视场(FOV)中沿水平方向来回扫掠，而慢速扫描在视场中沿垂直方向来回扫掠。快速扫描以相对较高的扫描速率运行，而慢速扫描以等于视频帧速率的扫描速率运行。在一些应用中，快速扫描谐振地操作，而慢速扫描提供基本锯齿图案，在帧时间的(大)部分内逐步向下扫描帧，然后返回帧的顶部重新开始。在其他应用中，交错锯齿扫描、三角波扫描、正弦扫描以及其他波形用于驱动一个或两个轴。沿快轴的完整扫描可以在任何范围内，例如在±60°角范围内、±50°、±40°、±30°、±20°、±10°或两者之间的任何数字。
需要说明的是，快速扫描方向不需要与水平方向对齐(绕垂直扫描轴旋转)，慢速扫描方向不需要与垂直方向对齐(绕水平扫描轴旋转)。快速扫描方向和/或慢速扫描方向可以是相对于地面参考系的任何取向。
光脉冲序列可包括在短持续时间内发射的多个脉冲，使得光脉冲序列可用于导出距离测量点。例如，激光雷达可用于三维(3D)成像(例如3D点云)或检测障碍物。在这种情况下，与光脉冲序列相关的距离测量可以被视为一个像素，并且可以将连续发射和捕获的像素集合(即“点云”)渲染为图像或出于其他原因进行分析(例如，检测障碍物)。可以在例如至少10ns、20ns、30ns、40ns、50ns、60ns、70ns、80ns、90ns、100ns、200ns、300ns、400ns、500ns、600ns、700ns、800ns、900ns、1μs、2μs、3μs、4μs、5μs、50μs、100μs、200μs、300μs、400μs、500μs或更长的持续时间内产生和发射光脉冲序列。在某些情况下，连续序列之间的时间间隔可能对应于3D成像的时间分辨率。序列之间的时间间隔可以是恒定的或可变的。序列的持续时间可以足够短，使得多个脉冲被发射到3D环境中的基本相同的点，或者可以用于测量从激光雷达***到3D环境中特定位置的距离。
图2示出了由发射模块产生的信号光230的序列。在一些情况下，发射模块可以包括包含光纤激光器模块的光源。光纤激光器模块可以包括种子激光器、泵浦激光器、光放大器(例如增益光纤)或其他组件。在所示示例中，信号光230的序列可以对应于扫描图案240中的扫掠或扫掠周期。如上所述，在使用谐振扫描器的情况下，谐振扫描器的扫描速度不断变化，像钟摆一样。为了在扫掠中实现均匀分布的光斑，光脉冲之间的时间间隔可以是可变的。如信号光230的示例序列中所示，对应于位于快速扫描方向中心附近的光斑的时间间隔可以更短，而对应于远离中心的光斑的时间间隔可以更长。在所示示例中，扫掠或扫掠周期期间光脉冲(例如，信号光230)之间的时间间隔是可变的。应当注意，可变时间间隔可能出现在各种其他应用或情况中。例如，当在选定区域中需要更密集的光斑时(例如，检测到目标物体并且需要细节的地方)，对应于这样的光脉冲的时间间隔可以相对较短。
在一些情况下，可变的时间间隔可以通过控制种子光脉冲210的时间间隔来实现。可以在种子激光器输出部(可以是自由空间输出或光纤输出)发射种子光脉冲。种子光脉冲的脉冲重复频率可以小于或等于100MHz(例如，大约500kHz、640kHz、750kHz、1MHz、2MHz、4MHz、5MHz、10MHz、20MHz、50MHz或100MHz)，脉冲持续时间小于或等于100纳秒(例如，大约200ps、400ps、500ps、800ps、1ns、2ns、4ns、8ns、10ns、20ns、50ns或100ns)，占空比小于或等于10％(例如，大约0.01％、0.02％、0.05％、0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％、5％或10％)，或工作波长介于1400nm至2050nm之间。例如，种子光脉冲可以具有500-750kHz的脉冲重复频率、小于或等于2ns的脉冲持续时间以及小于或等于0.1％的占空比。作为另一个示例，种子光脉冲可以具有大约640kHz的脉冲重复频率和大约1ns的脉冲持续时间(其对应于大约0.064％的占空比)。作为另一个示例，种子光脉冲可以具有大约750kHz的脉冲重复频率和大约20ns的脉冲持续时间(其对应于大约1.5％的占空比)。占空比可以根据脉冲持续时间与脉冲周期的比率或根据脉冲持续时间和脉冲重复频率的乘积来确定。
光纤激光器的光放大器可以是增益光纤，例如掺杂诸如铒、镱、钕、镝、镨、铥、钬等一种或多种稀土元素的光纤。泵浦光220可以是半导体激光器或任何其他具有合适波长的合适激光器发出的连续光，输入到光放大器即增益光纤中。泵浦光220被增益光纤中的掺杂剂吸收以形成粒子数反转。并且种子光210被输入到光放大器以触发从较高能级向较低能级的能量跃迁，以从光放大器输出信号光230。
信号光230的幅度会受到光泵浦能量的影响。在大多数情况下，泵浦光220可以是恒定的并且连续地泵浦种子光210。信号光230的幅度可能基本上受光脉冲之间的时间间隔，即泵浦时间的影响。信号光230的幅度可以是泵浦时间或时间间隔的函数。如示例中所示，与和较短泵浦时间T2相关联的光脉冲233相比，与较长泵浦时间T1相关联的光脉冲231具有更大的幅度。
所提供的激光雷达***和/或光源可以采用一种机制，使得信号光230序列的幅度可以被稳定或控制在期望范围内。在一些情况下，所提供的机制可以在扫掠周期(例如，沿着快速扫描轴从左右进行一次扫掠)期间控制信号光幅度，使得在扫掠期间产生的输出光脉冲序列可以具有基本相同的幅度或峰值功率。例如，在扫掠周期中产生的光脉冲的幅度变化不超过20％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％。这有利于提供人眼安全的激光雷达***，同时允许可配置的激光束。
在一些实施例中，可以通过提供可变泵浦光来稳定光脉冲的幅度。在一些情况下，可以控制泵浦光的幅度，以补偿由变化的时间间隔引起的可变泵浦时间，使得每个光脉冲的泵浦能量可以基本相同。
图3示意性地示出了使用可变泵浦光320控制信号光330的示例。如示例中所示，种子光310可以包括具有不同时间间隔的光脉冲序列。种子光310可以与结合图2描述的种子光210相同。泵浦光320可以被控制为具有可变幅度，其可以是每个种子光脉冲的时间间隔或泵浦时间的函数。作为种子光的放大结果的输出光束或信号光330可以具有基本恒定的幅度。例如，信号光330的光脉冲的幅度变化可以不超过20％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％。在某些情况下，泵浦光可以是连续光。
在一些情况下，可以预先确定在一次扫掠期间可变泵浦光320的功能。将泵浦光320与种子光310同步是至关重要的，从而使得位于种子光310的扫掠周期的两端(例如，开始或结束)的光脉冲大致对应于泵浦光循环的开始/结束。在一些实施例中，可以在传感器信号340的辅助下实现同步。传感器信号340可以是位置信号。当扫描器到达扫掠的两端(例如，开始或结束)时，可以生成位置信号。位置信号可用于触发泵浦光320的周期。位置信号可在扫掠循环的开始或结束时产生。在一些实施例中，位置信号可由与图1中描述的相同的位置传感器(例如，传感器123)产生。或者，位置信号可由任何其他能够检测扫描器角度位置的传感器生成。
图4示出了配置用于提供触发信号以同步泵浦光和种子光的位置传感器410的示例。如上所述，位置传感器410可用于检测扫描镜420的角位置和/或角运动。扫描镜420可被配置为绕一个或多个轴以角方式旋转、倾斜、枢转或移动。在特定实施例中，平面扫描镜可以附接到在特定角度范围内扫描所述扫描镜的扫描器致动器或机构。任何合适的传感器(例如，位置敏感探测器)可用于检测镜部的运动或角位置。例如，可以使用压阻式、光电探测器、光学位置传感器(OPS)或其他传感器来感测运动或角度位置。在一些实施例中，位置传感器可以是位置敏感探测器(PSD)。
位置传感器也可以被发射模块用来控制光源。例如，位置传感器还可以产生位置信号，发射模块使用该位置信号来协调光脉冲和扫描镜的运动。位置信号也可以被扫描器控制单元用于控制扫描器的驱动信号。这提供了在不向激光雷达***引入额外组件的情况下提供触发信号的优点。
在所示示例中，位置传感器410可以位于扫描镜420的一侧421，该侧421与输出光束111入射在扫描镜420上的一侧423相反。位置传感器410可以是光学位置传感器，其可以不与扫描镜420直接接触。在所示示例中，位置传感器410可以包括被配置用于产生测量光的光源412。测量光可以入射在扫描镜420的一侧421上，被引导回位置传感器410并且被探测器部件418捕获。测量光可以是脉冲光或连续光。在一些情况下，扫描镜420的面向位置传感器410的一侧421可以具有反射面，使得测量光可以被引导回到传感器410。
位置传感器410的光源412和探测器部件418可以以一定角度布置，使得光源发射的测量光可以被探测器部件418的有源区域捕获。在一些情况下，支撑元件415、416、417可用于将光源412和位置传感器410的探测器部件418定位成相对于彼此和/或相对于扫描镜420成预定角度。光源412和/或者探测器部件418可以永久地固定到这样的支撑元件或可移除地耦合到这样的支撑元件。
位置传感器410的光源412可以是用于产生测量光的任何合适的光源。例如，光源可以包括诸如固态激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、光纤激光器等激光器。探测器部件418可以是位置敏感探测器，其可以在传感器表面上一维或二维测量光斑的位置。根据光斑的位置，可以计算出扫描镜的角度。
在一些情况下，位置传感器410可以包括其他部件，例如滤光器414或连接板419，以增强测量信号或提供电连接和各种其他功能
图5示出了根据本发明一些实施例的激光雷达***的光源500的示例的框图。光源500可以被配置为产生激光束或光脉冲。在一些情况下，光源可以包括光纤激光器模块。在一些情况下，光纤激光器模块可以包括峰值波长大约为1550nm的电流调制激光二极管，然后是单级或多级掺铒光纤放大器(EDFA)。光纤激光器模块可以包括种子激光器505、泵浦激光器503、光放大器(例如增益光纤507)和其他部件。
光源500能够提供改进的激光控制，使得输出光脉冲或信号光515的幅度或峰值功率被稳定或控制，而与变化的脉冲间隔/泵浦时间无关。如前所述，可以通过提供可变泵浦光511来稳定信号光515的幅度。可以控制泵浦光511以补偿由种子光513的变化的时间间隔引起的可变泵浦时间，使得对于每个光脉冲的泵浦能量可以基本相同。
在一些实施例中，光源500可以包括控制单元501或与控制单元501通信，控制单元501被配置为协调泵浦激光器503和种子激光器505。控制单元501可以例如借助于位置信号510将泵浦光511与种子光513同步。例如，控制单元501可以产生控制信号或命令给泵浦激光器503以产生具有可变幅度的泵浦光。可以响应于位置信号510而生成控制信号或命令。
在某些情况下，控制单元501可以是泵浦激光器503的部件。例如，控制单元501可以与泵浦激光器的函数发生器或脉冲发生器集成在一起。例如，控制单元501可以向脉冲发生器提供电压信号，脉冲发生器以电流信号驱动激光二极管。泵浦光的可变幅度可由控制单元控制。泵浦光可以与结合图3描述的泵浦光相同。
如上所述，可以预先确定一个扫掠/周期期间泵浦光的可变幅度。一次扫掠期间泵浦光的函数可以例如被预先确定为每个种子光脉冲的时间间隔或泵浦时间的函数。例如，控制单元可以基于信号光脉冲之间的时间间隔来计算泵浦光的幅度。循环期间泵浦光的幅度可以存储在存储单元中。或者，该函数可以被预加载到存储单元中。信号/种子光脉冲之间的时间间隔可以从发射模块的控制器获得或预先存储在存储单元中。控制单元501可响应于位置信号510而产生触发新周期的命令。
在一些情况下，控制单元501可以与泵浦激光器503分离。例如，控制单元501可以是发射模块的控制器的部件或独立设备。控制单元501可以或可以不与种子激光器505通信。
控制单元、功能、算法、操作、电路或方法可以使用软件、硬件或固件或其组合来实现。在一些实施例中，控制单元可以包括一个或多个处理器和至少一个用于存储程序指令的存储器。处理器可以是激光雷达***的部件。或者，处理器可以在激光雷达***的外部但与激光雷达***通信。处理器可以是单个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)或能够执行特定指令集的数字信号处理器(DSP)。计算机可读指令可以存储在有形的非暂时性计算机可读介质上，例如软盘、硬盘、CD-ROM(光盘只读存储器)和MO(磁光)，DVD-ROM(数字通用磁盘只读存储器)、DVD RAM(数字通用磁盘随机存取存储器)或半导体存储器。控制单元可以是与激光雷达***通信的独立装置或***。或者，控制单元可以是激光雷达***的部件。可以在硬件部件或硬件和软件的组合(例如ASIC、专用计算机或通用计算机)中实施诸如产生可变泵浦光之类的本文公开的方法。
泵浦激光器503可以产生任何适合波长的泵浦光，以便为增益光纤507的掺杂剂提供光激励。例如，泵浦激光器503可以是光纤耦合或自由空间激光二极管，其工作波长为范围900-1300nm。在另一个示例中，掺铒增益光纤可以用976nm激光二极管泵浦。作为另一个示例，掺铒/掺镱增益光纤可以用工作波长在大约915nm至大约970nm之间的激光二极管泵浦。
种子激光器505可以包括由脉冲发生器驱动的激光二极管。种子光可以与关于图3描述的种子光相同。例如，种子光可以包括以可变时间间隔分隔开的光脉冲序列，使得沿着快速扫描方向的光斑可以均匀分布。信号光515的频率、持续时间或时间间隔可大体上接近种子光的频率、持续时间或时间间隔。
种子激光器505可以产生光种子脉冲或种子光513。种子光513可以在种子激光器输出(可以是自由空间输出或光纤输出)处发射。在一些实施例中，种子脉冲的脉冲重复频率可小于或等于100MHz(例如，大约500kHz、640kHz、750kHz、1MHz、2MHz、4MHz、5MHz、10MHz、20MHz、50MHz或100MHz)，脉冲持续时间小于或等于100纳秒(例如，大约200ps、400ps、500ps、800ps、1ns、2ns、4ns、8ns、10ns、20ns、50ns或100ns)，占空比小于或等于10％(例如，大约0.01％、0.02％、0.05％、0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％、5％或10％)，或工作波长介于1400nm至2050nm之间。例如，种子脉冲可以具有500-750kHz的脉冲重复频率、小于或等于2ns的脉冲持续时间以及小于或等于0.1％的占空比。作为另一个示例，种子脉冲可以具有大约640kHz的脉冲重复频率和大约1ns的脉冲持续时间(其对应于大约0.064％的占空比)。作为另一个示例，种子脉冲可以具有大约750kHz的脉冲重复频率和大约20ns的脉冲持续时间(其对应于大约1.5％的占空比)。占空比可以根据脉冲持续时间与脉冲周期的比率或根据脉冲持续时间和脉冲重复频率的乘积来确定。
激光二极管可以具有任何合适的工作波长，例如大约1400nm、1500nm、1550nm、1600nm或2000nm的工作波长。激光二极管可以是法布里-珀罗激光二极管、分布式反馈(DFB)激光器或分布式布拉格反射器(DBR)激光器。在一个示例中，激光二极管可以是耦合到光纤的DFB激光器或配置为发射自由空间输出光束的DFB激光器。在一些情况下，种子激光器505可以包括具有基本固定的工作波长的单个激光二极管。例如，激光二极管可以是单波长激光器，其被配置为在具有有限波长可调性的特定工作波长下工作。在另一个示例中，激光二极管可以包括工作波长在大约1400nm至1600nm之间的DFB激光器。
光源500可以包括一个或多个光放大器或增益光纤507，其被配置为放大低功率脉冲(即种子光脉冲)以产生放大的光脉冲。放大的光脉冲可以作为输出光束或信号光515发射。例如，增益光纤507可以接收平均功率大于或等于1微瓦的种子光脉冲，并且来自增益光纤507的放大的输出脉冲可具有大于或等于1mW的平均功率。作为另一示例，增益光纤507可以接收具有大于或等于1pJ的脉冲能量的种子光脉冲，并且来自增益光纤507的放大的输出光脉冲可以具有大于或等于0.1μJ的脉冲能量。
放大器可以指光纤放大器、增益光纤、光放大器或光纤放大器，它们在整个说明书中可互换使用。放大器可以包括任何合适数量的光放大级。例如，激光雷达***的放大器可以包括一个、两个、三个、四个或五个光放大级。在一些实施例中，放大器可以包括单通(single-pass)放大器，其中光通过放大器一遍。在一些实施例中，放大器可以包括双通放大器，其中光通过放大器增益介质两遍。在一些实施例中，放大器可以充当前置放大器(例如，放大来自种子激光器的种子脉冲的放大器)、中级放大器(例如，放大来自另一放大器的光的放大器)或升压放大器(booster amplifier)(例如，将自由空间输出光束发送到扫描器的放大器)。前置放大器可以指一系列两个或更多个放大器中的第一放大器，升压放大器可以指一系列放大器中的最后一个放大器，或者中级放大器可以指位于前置放大器与升压放大器之间的任何放大器。
增益光纤507可以提供任何合适量的光功率增益，例如大约5dB、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB、60dB或70dB的增益。例如，增益光纤(可包括两个或更多独立的放大级)可以接收平均功率为1μW的脉冲，并产生平均功率为5W的放大脉冲，对应于大约67dB的光功率增益。作为另一个示例，增益光纤可以包括两个或更多放大级，每个放大级的增益大于或等于20dB，对应于大于或等于40dB的总增益。作为另一个示例，增益光纤可以包括三个放大级(例如，前置放大器、中级放大器和升压放大器)，分别具有大约30dB、20dB和10dB的增益，对应于大约60dB的总增益。
增益光纤507可以是光纤，其可以将光从一个光学部件传送、携带、输送或传输到另一个光学部件。光纤可被称为光纤电缆、纤维、光链路、光纤链路或纤维链路。光纤可包括单模(SM)光纤、大模场(LMA)光纤、多模(MM)光纤、保偏(PM)光纤、光子晶体或光子带隙光纤、增益光纤(例如，用于光放大器的掺稀土光纤)、多包层光纤(例如，具有纤芯、内包层和外包层的双包层光纤)或任何其他合适的光纤，或其任何合适的组合。作为示例，光纤可以包括具有大约8μm的芯直径和大约125μm的包层直径的玻璃SM光纤。作为另一示例，光纤可包括光子晶体光纤或光子带隙光纤，其中光被沿玻璃纤维长度分布的孔的布置限制或引导。在一些实施例中，光纤的一端可耦合到、附接到或终止于输出准直器。输出准直器可包括透镜、GRIN透镜或光纤准直器，其从光纤电缆接收光并产生光束。
在一些实施例中，光源可以利用拉曼放大器或拉曼增益光纤作为可变泵浦光的替代或补充来稳定信号光。在某些情况下，泵浦时间或两个连续扫掠周期之间的时间间隔太长，使得序列中前几个信号光的幅度与同一序列中的其他信号光相比很大。拉曼放大器或拉曼增益光纤可以提供波长转换，使得高峰值功率入射光可以稳定在选定的范围内。光纤激光器的峰值功率能力受限于在光纤内部以非常高的光强度发生的非线性过程的开始。这些非线性过程中最重要的是受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)。这两个过程的特征在于阈值功率，高于该阈值功率，高功率脉冲中的大部分能量被转换为不同的、通常不需要的波长。光穿过非线性拉曼增益光纤并通过级联受激拉曼散射过程进行转换。在将强光(泵浦光)输入光纤时，由于诱导拉曼散射，拉曼放大在距泵浦光波长大约100nm的较长波长侧(假设应用1400nm波段的泵浦光，频率低约13THz)具有增益峰值。SBS和SRS的阈值功率与高功率激光脉冲通过的光纤长度成反比。可选择拉曼增益光纤的有效长度以进一步控制输出光束的峰值功率。
图6示意性地示出了在拉曼增益光纤的辅助下稳定光脉冲的示例600。在一些实施例中，拉曼增益光纤用于稳定自发的高峰值功率光。拉曼增益光纤可以提供非线性波长转换以产生峰值功率稳定在拉曼散射阈值附近的输出光束。优选地，拉曼增益光纤的光纤长度由光源的峰值脉冲功率和光纤的拉曼增益、衰减和有效面积确定，使得对于N个连续斯托克斯级数克服受激拉曼散射阈值，而对于(N+1)阶不克服，导致源功率大部分转换为N阶。在某些情况下，拉曼增益光纤的光纤长度由以下公式确定：
Figure BDA0003230554270000191
其中g代表拉曼增益比，L代表有效光纤长度，A代表光纤的模场面积，P代表输出峰值功率。然后可以针对给定的拉曼增益比或拉曼散射阈值计算拉曼增益光纤的有效长度。例如，当希望输出峰值功率P为2500W左右，g为10-13m/W左右，A为7μm2左右时，计算出拉曼光纤的长度为5m左右。在某些情况下，在拉曼增益光纤之后可以是用于去除不需要的光(例如，斯托克斯波长的残余光)的滤光器。
图7示出了根据本发明的一些实施例的采用传输光纤710的光源700的框图。在一些实施例中，传输光纤710可以是拉曼增益光纤。利用上述拉曼增益光纤可以提供稳定的信号光715。拉曼增益光纤可以连接到现有增益光纤507。例如，拉曼增益光纤可以耦合到现有增益光纤的输出端。拉曼增益光纤可以使用任何合适的方式光学耦合到增益光纤。例如，拉曼增益光纤可以融合到现有的增益光纤上。可替代地或除此之外，拉曼增益光纤可以在附加元件(例如，光耦合器)的辅助下连接到现有增益光纤507。拉曼增益光纤的长度可以根据上述公式预先确定。在一些情况下，一个或多个光学元件，例如一个或多个滤光器(例如，宽带滤光器)可以附接到拉曼增益光纤的输出端以去除不需要的光(例如，斯托克斯波长的光)。这允许通过提高对自发高峰值功率源光的抵抗力而稳定最终输出光束或信号光715。
传输光纤710可以与可变泵浦光结合使用。这可以允许信号光715具有稳定的幅度，而不管与每个光脉冲相关联的泵浦时间，并且允许对自发的高峰值功率光源具有改进的抵抗力。
在一些实施例中，可以通过引入额外的激光器以调整从增益光纤输出的信号光来稳定信号光。额外的激光器可以被称为调整激光器。调整激光器可以具有在与现有种子激光器的波长不同的波长下工作的激光二极管。在某些情况下，可以将调整激光器视为以不同波长工作的第二种子激光器。当泵浦时间相对较长时，由调整激光器产生的光可以提供给增益光纤并用于消耗增益光纤中的更大的能量(例如，更大量的粒子数反转)。
图8示意性地图示了根据本发明的一些实施例的利用调整激光器805来稳定信号光的示例。在一些情况下，调整激光器805可以被配置为产生可以提供给增益光纤807的调整光815。调整激光器805可以被添加到本文别处描述的光源。增益光纤807可以与结合图5描述的增益光纤相同。类似地，种子激光器803可以与结合图5描述的那些相同。在一些情况下，由泵浦激光器801产生的泵浦光811可以不被配置为可变泵浦光特征(例如，具有恒定幅度)。调整光815可以具有任何合适的波长，只要该波长不同于种子光813的波长，同时能够在增益光纤中消耗粒子数反转(即，能量)。例如，种子光可以具有1570nm的波长并且调整光可以具有1530nm的波长。
在一些情况下，当检测到信号光817具有大于预定值的峰值功率时，可以产生调整光815并将其提供给增益光纤。例如，当检测到信号光817具有大于预定阈值的功率或幅度时，调整激光器805可以接收用于产生调整光以衰减输出光束功率的命令。该命令可由光源的控制器或调整激光器805的控制器产生。在一些情况下，调整光可用于或可不用于稳定自发或随机的高峰值功率光脉冲。在某些情况下，当信号光表现出趋势或可预测的行为时，可以产生调整光。例如，当信号光具有持续增加的功率或在一段时间内保持高功率时，可以产生调整光。在一些情况下，信号光817被检测为在大于预定时间阈值的时间段内保持超过预定阈值的幅度或峰值功率，然后调整激光器805可以发射调整光815。
在这种情况下，可以基于检测到的输出信号光的功率即时确定调整光815的时刻和/或幅度。在一些情况下，调整光815的时刻和/或幅度可以基于扫掠期间或帧中扫描期间的已知泵浦间隔来预先确定。例如，当泵浦时间或脉冲间隔大于预定值时，可以产生调整光。调整光815可以与种子光813同步，也可以不同步。在一些情况下，因为在泵浦间隔开始时粒子数反转不是从零开始，调整光可以在预先计算的时间产生，因此以吸收更多的能量，对应于更长的泵浦时间。
调整激光器可作为稳定信号光的独立方法使用。或者，可将调整激光器与可变泵浦光和/或拉曼增益光纤共同和/或同时使用，以实现对信号光的改进的控制。
图9示出了根据本发明的一些实施例的利用调整激光器905和传输光纤909来稳定输出信号光917的光源900的示例。在所示示例中，调整激光器905与传输光纤909结合使用以稳定信号光917。调整激光器905可以被控制以产生调整光915以消耗在增益光纤907中产生的更大的能量(即，更大量的粒子数反转)。在一些情况下，调整光915可以在对应于较长泵浦时间的时间点产生。例如，调整激光器905可以与光源900的控制器通信以获得关于种子光脉冲的时间间隔的信息。替代地或附加地，调整激光器905可以接收触发信号，例如图5中描述的位置信号510，以便得到更长的泵浦时间或时间间隔的通知。在这种情况下，假设在泵浦间隔开始时粒子数反转不是从零开始，则可以响应于接收触发信号而立即产生或不产生调整光915。在一些情况下，时间流逝或时间差可以基于***特性预先确定。传输光纤909可以是如本文别处所述的拉曼增益光纤。使用拉曼增益光纤和调整激光器可以提高输出光束的稳定性，并增强对自发高峰值功率输入光的抵抗力。泵浦激光器901可以是没有可变泵浦光特征的常规泵浦激光器。例如，泵浦光911在扫掠或循环期间可以具有恒定幅度。种子激光器903、种子光913、增益光纤907可以与关于图5描述的那些相同。
图10示出了根据本发明的一些实施例的利用调整激光器1005、位置信号1010和传输光纤1020以共同方式稳定输出信号光1017的光源1000的示例。在所示示例中，位置信号1010和控制单元1009可以与关于图5所描述的相同。泵浦激光器1001可以是没有可变泵浦光特征的泵浦激光器。在一些情况下，泵浦光911、种子激光器1003、种子光1013、增益光纤1007可以与关于图5所描述的那些相同。例如，位置信号可用于将可变泵浦光1011与种子光脉冲1013同步。
在一些情况下，位置信号1010也可被传输到调整激光器1005以用信号通知相对较大的时间间隔或泵浦时间。在这种情况下，调整光1015和泵浦光1011可以共同产生和工作，以稳定增益光纤1007的光输出。在某些情况下，当调整光与可变泵浦光同时产生时，可以控制泵浦光的幅度以考虑调整光的影响。或者，可以不根据调整光的存在来调节泵浦光的幅度。调整激光器1005可被控制以产生调整光1015以消耗在增益光纤1007中产生的更大量的能量(即粒子数反转量)。假设在泵浦间隔开始时粒子数反转不是从零开始的，调整光1015可以或可以不响应于接收到位置信号而立即产生。可以基于***特性预先确定经过的时间或时间差。
可替代地或除此之外，当检测到信号光1017具有大于预定幅度阈值的幅度时，可以控制调整激光器以产生调整光1015。例如，当检测到信号光1017在大于预定时间阈值的时间段内具有大于预定功率阈值的峰值功率时，则可以产生调整光1015。这有利于在各种情况下稳定激光束。例如，可变泵浦光可用于控制具有已知模式的光脉冲的幅度(例如，稳定具有由于扫描器摆锤运动或变化的时间间隔而具有变化的峰值功率或幅度的光束)，调整激光器可用于稳定在运行期间呈现一定趋势或行为的光脉冲，拉曼增益光纤可用于稳定自发的高峰值功率光脉冲。
在一个示例中，调整激光器1005可以接收用于生成调整光以衰减输出光束功率的命令。该命令可以由光源的控制器、调整激光器1005的控制器或控制单元1009产生。在一些情况下，控制单元1009可以被配置为监测信号光并向调整激光器产生命令。在一些情况下，控制单元1009可以向泵浦激光器和调整激光器两者生成命令以协调泵浦光和调整光。
传输光纤1020可以是如本文别处所述的拉曼增益光纤。使用拉曼增益光纤以及调整激光器和可变泵浦激光器可以提高输出光束的稳定性，并增强对自发的高峰值功率输入光的抵抗力。
所提供的激光控制或稳定方法和机制可与各种激光雷达***结合使用或可用于各种应用。例如，当在给定区域中需要更密集的光斑时，可以缩短相应的泵浦时间。在这种情况下，上述方法和机制还可以在激光雷达***中提供稳定性和改进的激光控制。在一些情况下，关于时间间隔的信息可以传输到光源的控制单元，使得泵浦激光器和/或调整激光器可以产生泵浦光(具有可变幅度)或调整光从而以主动控制方式稳定信号光。替代地或附加地，拉曼增益光纤可用于以被动方式稳定信号光。
配备有所述激光器控制机制的激光雷达***可设置在可移动物体上以感测可移动物体周围的环境。或者，激光雷达***可以安装在静止物体上。
本发明的可移动物体可以被配置为在任何合适的环境中移动，例如在空中(例如，固定翼飞行器、旋翼飞行器或既没有固定翼也没有旋翼的飞行器)，在水中(例如，船或潜艇)，地面(例如，机动车辆，如汽车、卡车、公共汽车、货车、摩托车、自行车；可移动的结构或框架，如棍子、鱼竿；或火车)，地下(例如地铁)，太空(例如航天飞机、卫星或探测器)，或这些环境的任意组合。可移动物体可以是车辆，例如本文别处描述的车辆。在一些实施例中，可移动物体可以由活体携带，或者从活体例如人或动物发射。
在某些情况下，可移动物体可以是自主车辆，其可以被称为自主汽车、无驾驶员汽车、自动驾驶汽车、机器人汽车或无人驾驶汽车。在某些情况下，自主车辆可以指被配置为在很少或没有人工输入的情况下感测其环境和导航或驾驶的车辆。例如，自动驾驶车辆可以配置为驾驶到任何合适的位置并在整个行程中控制或执行所有安全关键功能(例如，驾驶、转向、制动、停车)，而不希望驾驶员随时控制车辆。作为另一个示例，自主车辆可以允许驾驶员安全地将他们的注意力从特定环境(例如，在高速公路上)的驾驶任务转移开，或者自主车辆可以在除少数环境之外的所有环境中提供对车辆的控制，需要很少或不需要驾驶员的输入或注意力。
在某些情况下，激光雷达***可以作为自主车辆驾驶***的一部分集成到车辆中。例如，激光雷达***可以向自主车辆的驾驶***提供关于周围环境的信息。在一个示例中，激光雷达***可以提供车辆的360度水平视野。自主车辆驾驶***可以包括一个或多个计算***，这些计算***从激光雷达***接收有关周围环境的信息，分析接收到的信息，并向车辆的驾驶***(例如，方向盘、加速器、制动器或转弯信号)提供控制信号。
如本文所用，A和/或B包括A或B中的一个或多个，及其组合，例如A和B。应理解，尽管本文使用了术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元素、部件、区域和/或部分，这些元素、部件、区域和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元素、部件、区域或部分与另一元素、部件、区域或部分区分开来。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，本文讨论的第一元素、部件、区域或部分可以被称为第二元素、部件、区域或部分。
此处使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”和/或“包含有”或“包括”和/或“包括有”指定所述特征、区域、整数、步骤、操作、元素和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、元素、部件和/或它们的组。
在整个说明书中对“一些实施例”或“一个实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书的各个地方出现的短语“在一些实施例中”或“在一个实施例中”不一定都指代相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。
虽然这里已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员来说，这些实施例仅作为示例提供是显而易见的。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、变化和替换。应当理解，在实践本发明时可以采用对这里描述的本发明的实施例的各种替代。在此描述的实施例的多种不同组合是可能的，并且这样的组合被认为是本公开的一部分。此外，结合本文的任一实施例讨论的所有特征可以容易地适用于本文的其他实施例。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并且由此涵盖在这些权利要求及其等同物范围内的方法和结构。

Claims (28)

1.一种激光***，包括：
种子激光器，配置为产生种子光脉冲序列，其中所述种子光脉冲序列在扫掠周期中以可变的时间间隔产生；
泵浦激光器，配置为在所述扫掠周期中产生具有可变幅度的泵浦光；
光纤放大器，耦合到所述种子激光器和所述泵浦激光器；和
控制单元，配置为向所述泵浦激光器生成命令以将所述泵浦光与所述种子光脉冲序列同步，以使在扫掠周期中实现空间均匀分布的光斑。
2.如权利要求1所述的激光***，其中，所述扫掠周期对应于在快速扫描方向上的扫描周期。
3.如权利要求1所述的激光***，其中，响应于接收到位置信号而产生所述命令，并且其中所述位置信号由扫描器的位置传感器产生。
4.如权利要求3所述的激光***，其中，在所述扫掠周期的开始或结束时产生所述位置信号。
5.如权利要求1所述的激光***，其中，基于所述种子光脉冲的可变时间间隔预先确定所述可变幅度。
6.如权利要求1所述的激光***，还包括连接到所述光纤放大器的输出端的拉曼增益光纤。
7.如权利要求6所述的激光***，还包括位于所述拉曼增益光纤的输出端的滤光器，以去除从所述拉曼增益光纤输出的不需要的光。
8.如权利要求1所述的激光***，还包括耦合到所述光纤放大器的调整激光器，其中所述调整激光器被配置为产生被提供给所述光纤放大器的调整光，以消耗在扫掠周期中所述种子光脉冲的一定时间间隔期间产生的能量。
9.如权利要求8所述的激光***，其中，所述调整激光器在与所述种子光脉冲的波长不同的波长下工作。
10.如权利要求8所述的激光***，其中，当检测到所述激光***的输出光束具有大于预定阈值的功率时，所述调整激光器被配置为产生调整光。
11.一种包括权利要求1所述的激光***的激光雷达***，其中，所述激光雷达***包括扫描器，并且从所述激光***输出的光束被引导至所述扫描器。
12.如权利要求11所述的激光雷达***，其中，所述扫描器包括被配置为测量所述扫描器的扫描镜的角度的位置传感器，并且其中所述位置传感器是光学位置传感器或位置敏感探测器。
13.一种激光***，包括：
种子激光器，配置为产生种子光脉冲序列，其中所述种子光脉冲序列在扫掠周期中以可变的时间间隔产生；
泵浦激光器，配置为产生泵浦光；
光纤放大器，耦合到所述种子激光器和所述泵浦激光器；以及
调整激光器，配置为产生提供给所述光纤放大器的调整光，其中所述调整光用于消耗在一定的时间间隔期间所述光纤放大器中产生的能量。
14.如权利要求13所述的激光***，其中，所述调整激光器在与所述种子光脉冲的波长不同的波长下工作。
15.如权利要求13所述的激光***，其中，当检测到所述激光***的输出光束具有大于预定阈值的功率时，产生所述调整光。
16.如权利要求13所述的激光***，其中，当检测到激光***的输出光束在一段时间内具有大于预定阈值的功率时，产生所述调整光。
17.如权利要求13所述的激光***，其中，响应于接收到指示扫掠周期的开始或结束的位置信号而产生所述调整光。
18.如权利要求13所述的激光***，还包括连接到所述光纤放大器的输出端的拉曼增益光纤。
19.如权利要求18所述的激光***，还包括滤光器，所述滤光器位于所述拉曼增益光纤的输出端处，以去除从所述拉曼增益光纤输出的不需要的光。
20.如权利要求13所述的激光***，其中，所述扫掠周期对应于沿快速扫描方向的扫描周期。
21.如权利要求13所述的激光***，其中，所述泵浦光具有恒定的幅度。
22.如权利要求13所述的激光***，其中，所述泵浦光具有可变幅度。
23.如权利要求13所述的激光***，还包括控制单元，该控制单元被配置为向所述泵浦激光器生成命令以将所述泵浦光与所述种子光脉冲序列同步。
24.如权利要求23所述的激光***，其中，响应于接收到位置信号而产生所述命令，其中所述位置信号由扫描器的位置传感器产生。
25.如权利要求23所述的激光***，其中，所述控制单元被配置为向所述调整激光器和所述泵浦激光器两者生成命令。
26.一种包括权利要求13所述的激光***的激光雷达***，其中，所述激光雷达***包括扫描器，并且从所述激光***输出的光束被引导至所述扫描器。
27.如权利要求26所述的激光雷达***，其中，所述扫描器包括位置传感器，所述位置传感器被配置为测量所述扫描器的扫描镜的角度。
28.如权利要求27所述的激光雷达***，其中，所述位置传感器是光学位置传感器或位置敏感探测器。
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