[发明专利]一种二极管激光器光束准直的方法

说明书

本发明属于激光技术应用领域，提供一种二极管激光器光束准直的方法。二极管激光器发出的激光光束依次经过凸柱面透镜、凹柱面透镜、凸透镜准直后发射到大气中；沿着快轴方向的激光光束首先经过凸柱面透镜，被准直成平行光；经过凹柱面透镜，使快轴方向的光束再次变为发散的；输出激光光束的快轴发散角与凸透镜的接收角匹配，极大地提高了快轴激光光束的耦合效率；沿着慢轴方向的激光光束的大小和发散角并没有任何变化。将快轴垂直于Scheimpflug平面放置，慢轴平行于Scheimpflug平面放置，最终快轴和慢轴激光光束由凸透镜准直后发射到大气中。本技术方案在实现同样的SLidar系统性能的条件下，提高了发射光束耦合效率。

技术领域

本发明属于激光技术应用技术领域，提供了一种二极管激光器光束准直的方法。

背景技术

激光雷达(Light Detection and Ranging，Lidar)技术是一种主动式光学遥感探测技术，其在高度/空间分辨率、探测灵敏度、抗干扰能力、以及实时监测等方面具有独特的优势。激光雷达技术已经广泛地应用于大气气溶胶分布监测，大气污染气体以及温室气体浓度分布测量，中高层大气温度场以及风场测量等诸多方面。目前，传统的脉冲式激光雷达在国内外应用最为广泛。脉冲式激光雷达技术的硬件原理是向大气中发射纳秒量级的脉冲光并以时间分辨的方式探测其后向散射光的强度，从而实现了不同距离上大气回波信号的探测。然而，脉冲式气溶胶激光雷达系统的设计和维护成本却居高不下。这主要是由于两方面的原因：其一，是该技术需要的高性能纳秒量级脉冲光源如Nd:YAG激光器等，不仅成本高而且维护费用不菲；其二，是由于激光雷达信号与距离的平方成反比，系统对动态范围的要求非常高，不仅需要高灵敏探测器如光电倍增管等，而且需要高速模拟采样以及单光子计数技术等复杂的信号采样技术。

2014年，瑞典隆德大学提出一种基于Scheimpflug原理的新型连续光激光雷达技术(Scheimpflug Lidar，SLidar)。SLidar技术通过对发射到大气中的激光光束在满足Scheimpflug原理的条件下进行成像，以角度分辨而非飞行时间分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号。基于该原理，SLidar技术可以使用大功率连续光光源(如二极管激光器)，以及CCD/CMOS传感器作为探测器，从而有效地克服了传统脉冲激光雷达技术在光源和光电检测方面系统复杂的困难，解决了三波长甚至更多波长激光雷达系统集成方面的难题，极大地降低了系统的结构和成本。

根据SLidar技术的原理，发射到大气中的激光光束的大小和发散角在光学布局的横截面平面应该最小，从而实现最好的距离分辨率。在SLidar技术中所使用的高功率激光二极管的发射截面一般具备矩形结构：快轴为1μm，慢轴为20-1000μm。此外，激光光束的发散角很大，且快轴的发散角比慢轴要大得多，甚至达到2-4倍。依据几何光学的基本原理，任何几何光学系统都无法改变光束尺寸和发散角的乘积。虽然采用大焦比的光学系统可以减小光斑尺寸和发散角，但同时也会面临降低发射光束的耦合效率从而导致探测信号的信噪比下降的问题。因此，如何在实现最小发散角和最小光斑尺寸的情况下同时实现最大的发射光束耦合效率成为SLidar技术的重大挑战之一。