一种微腔光梳激光器、测距装置及测距方法
阅读说明：本技术 一种微腔光梳激光器、测距装置及测距方法 (Microcavity optical comb laser, distance measuring device and distance measuring method ) 是由 肖云峰 陈豪敬 杨起帆 刘鹏 姚璐 龚旗煌 于 2021-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种微腔光梳激光器、测距装置及测距方法,涉及激光测距技术领域,包括片上半导体激光器与高品质因子微腔,微腔包括耦合波导与环形光学微腔；片上半导体激光器与耦合波导连接,耦合波导与环形光学微腔相切；片上半导体激光器用于发出单频泵浦激光,单频泵浦激光经由耦合波导进入环形光学微腔,环形光学微腔用于将单频泵浦激光转变为多频光梳激光,环形光学微腔内部分泵浦激光散射回片上半导体激光器,形成孤子锁模光脉冲。本发明通过耦合波导与环形光学微腔将单频泵浦激光进行波导耦合,产生孤子锁模光脉冲,结合电光采样时域探测方法与孤子微梳时序调控技术,实现一种便携型、高速且高精度的激光测距装置。(The invention provides a microcavity optical comb laser, a distance measuring device and a distance measuring method, which relate to the technical field of laser distance measurement and comprise an on-chip semiconductor laser and a high-quality factor microcavity, wherein the microcavity comprises a coupling waveguide and an annular optical microcavity; the on-chip semiconductor laser is connected with the coupling waveguide, and the coupling waveguide is tangent to the annular optical microcavity; the semiconductor laser on the chip is used for emitting single-frequency pumping laser, the single-frequency pumping laser enters the annular optical microcavity through the coupling waveguide, the annular optical microcavity is used for converting the single-frequency pumping laser into multi-frequency optical comb laser, and part of the pumping laser in the annular optical microcavity is scattered back to the semiconductor laser on the chip to form soliton mode-locking optical pulses. The invention realizes a portable high-speed and high-precision laser ranging device by coupling waveguide and annular optical microcavity to perform waveguide coupling on single-frequency pumping laser to generate soliton mode-locked optical pulses and combining an electro-optical sampling time domain detection method and a soliton micro-comb timing sequence regulation and control technology.)
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种微腔光梳激光器、测距装置及测距方法。
背景技术
测距装置在人类的日常生活、生产以及科学研究中具有举足轻重的作用，随着技术的发展，需要精度高、速度快以及携带方便的距离测量，例如车载激光雷达、工业测绘、微纳加工与生物医疗，以及国防军事上的导弹定位与航天器对准等领域，无不需要高性能与便携式的测距装置。
目前，基于单频激光干涉或者调制激光相移的传统测距方法已经无法满足目前多个领域的测距精度与测距速度。例如，单频激光干涉测距只能测量连续变化的位移，而调制激光相移则容易受到调制非线性带来的循环误差的干扰。
利用光学频率梳实现绝对距离的测量是目前测量科学的前沿研究领域之一，此概念最早由日本的Minoshima等人在2000年提出。通过探测光梳梳齿之间拍频信号在传播过程中的相位变化，在240m的距离上实现了微米级的精度的长度测量。以此为起点，人们又发展出了基于光梳的飞行时间法、多波长干涉法、双光梳测距法以及调制连续波法等测量手段，进一步地将测量的精度提升到纳米甚至亚纳米级。然而，目前通常使用桌面级的飞秒锁模激光器作为产生光梳的平台，典型的如钛蓝宝石锁模激光器和光纤锁模激光器等，具有如下的局限性：体积大，能耗高，价格昂贵；重复频率较低；钛蓝宝石锁模激光器将光梳的使用场景主要局限在实验室内，而光纤锁模激光器则影响了测量的响应速度。
发明内容
本发明提供一种微腔光梳激光器、测距装置及测距方法，用以解决现有技术中光梳激光器体积大，能耗高，价格昂贵，重复频率较低的缺陷，实现一种成本低，响应速度快，精度高的便携式微腔光梳激光器、测距装置及其测距方法。
本发明提供一种微腔光梳激光器，包括片上半导体激光器与高品质因子微腔，所述高品质因子微腔包括耦合波导与环形光学微腔；所述片上半导体激光器的输出端与所述耦合波导的输入端连接，所述耦合波导与所述环形光学微腔相切；
所述片上半导体激光器用于发出单频泵浦激光，所述单频泵浦激光经由所述耦合波导进入所述环形光学微腔，所述环形光学微腔用于将所述单频泵浦激光转变为多频光梳激光，所述环形光学微腔内部分泵浦激光散射回所述片上半导体激光器，形成所述片上半导体激光器与所述高品质因子微腔模式注入锁定，并在微腔中产生孤子锁模光脉冲。
根据本发明提供的一种微腔光梳激光器，所述片上半导体激光器采用三五族半导体材料作为增益介质。
根据本发明提供的一种微腔光梳激光器，所述片上半导体激光器为分布反馈式激光器结构。
根据本发明提供的一种微腔光梳激光器，所述耦合波导和/或所述环形光学微腔由二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂、氮化铝、氮化镓与锗中的一种材料制成。
根据本发明提供的一种微腔光梳激光器，还包括电源，所述电源用于向所述片上半导体激光器供电。
本发明还提供一种测距装置，包括如上述任一项所述的微腔光梳激光器，还包括电光分离装置与电光采样时域探测装置，所述微腔光梳激光器发出的孤子锁模光脉冲通过所述电光分离装置分成两路，一路转变为电脉冲并传输至所述电光采样时域探测装置；另一路发射至待测物并经反射回收，传输至所述电光采样时域探测装置。
根据本发明提供的一种测距装置，所述电光分离装置包括光纤分束器、光纤环形器和光电转换器，所述光纤分束器用于将所述孤子锁模光脉冲分束，一束进入所述光电转换器转变为电脉冲，所述电脉冲进入到所述电光采样时域探测装置中；另一束进入所述光纤环形器，由所述光纤环形器发射至待测物并经反射回收，传输至所述电光采样时域探测装置。
根据本发明提供的一种测距装置，电光采样时域探测装置包括光纤耦合器、电光相位调制器和平衡光电探测器，所述光纤耦合器用于接收所述光纤环形器发送的孤子锁模光脉冲，并将所述孤子锁模光脉冲发送至所述平衡光电探测器；所述电光相位调制器用于接收所述光电转换器发送的电脉冲，并将所述电脉冲信号作为调制信号加载到所述孤子锁模光脉冲信号上。
根据本发明提供的一种测距装置，所述光纤耦合器为3x3的6端口光纤耦合器。
本发明还提供一种如上述任一项所述的测距装置的测距方法，包括如下步骤：
调节片上半导体激光器电流值，所述片上半导体激光器发出单频泵浦激光至耦合波导，所述耦合波导将所述单频泵浦激光发送至环形光学微腔，所述环形光学微腔与所述耦合波导内光学耦合生成孤子锁模光脉冲，并将所述孤子锁模光脉冲发送至电光分离装置；
所述电光分离装置控制所述孤子锁模光脉冲一部分转变为电脉冲并发送至所述电光采样时域探测装置中；所述电光分离装置控制所述孤子锁模光脉冲另一部分发射至待测物，并接收所述待测物反射的孤子锁模光脉冲，将反射的孤子锁模光脉冲发送至所述电光采样时域探测装置中；
所述电光采样时域探测装置根据收集的电脉冲与反射的孤子锁模光脉冲的相对延迟信息，输出待测物的距离信息。
本发明提供的微腔光梳激光器、测距装置及测距方法，通过耦合波导与环形光学微腔将单频泵浦激光进行波导耦合，形成激光器出射频率与微腔腔模自注入锁定，实现光梳的相位锁定，产生孤子锁模光脉冲。进一步结合高品质因子微腔光梳的超小体积、超高重复频率特性、电光采样时域探测方法，配合孤子微梳时序调控技术，实现一种能够同时满足便携性、高速且高精度的多功能激光测距系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的测距装置连接示意图；
图2是本发明提供的电光采样时域探测装置示意图；
图3是本发明提供的测距方法流程示意图。
附图标记：
1：片上半导体激光器；
2：高品质因子微腔； 21：耦合波导； 22：环形光学微腔；
3：电光分离装置； 31：光纤分束器； 32：光纤环形器；
33：光电转换器；
4：电光采样时域探测装置； 41：光纤耦合器；
42：电光相位调制器；
43：平衡光电探测器；
5：电源；
6：待测物。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。
下面结合图1与图2描述本发明提供的微腔光梳激光器、测距装置及测距方法。
为了满足科研和目前产业上较多的重大需求，需要将光梳推广到实际产品之中。同时，为了捕捉到如光力振动和缺陷产生等超快及瞬态的物理过程，需要ns量级的超快采样时间，即需要将光梳的重复频率提高到GHz之上。因此，为了满足上述高速高频的要求，并为了适应现有产业的各种环境，需要研发一种体积小、速度快且精度高的光梳激光器及测距装置。
具体地，本实施例提供一种微腔光梳激光器，包括片上半导体激光器1与高品质因子微腔2，所述高品质因子微腔2包括耦合波导21与环形光学微腔22；所述片上半导体激光器1的输出端与所述耦合波导21的输入端连接，所述耦合波导21与所述环形光学微腔22相切，较好地，所述耦合波导21与所述环形光学微腔22相切至间隔距离在百纳米量级内。
所述片上半导体激光器1用于发出单频泵浦激光，所述单频泵浦激光经由所述耦合波导21进入所述环形光学微腔22，所述环形光学微腔22截面为矩形，截面几何尺寸将影响其谐振模式频率，而谐振模式的频率分布需要满足反常色散才可以发生四波混频效应。所述环形光学微腔22用于将所述单频泵浦激光通过非线性光学四波混频作用转变为多频光梳激光，所述环形光学微腔22内部分泵浦激光散射回所述片上半导体激光器1，形成激光器与微腔模式注入锁定，并在微腔中产生孤子锁模光脉冲，脉冲宽度达到飞秒量级。
具体地，本实施例所述的片上半导体激光器1，能够以半导体为工作物质发出激光。较好地，本实施例优选片上硅基激光器，如采用上下铺叠的硅衬底层与增益介质层。较好地，本实施例所述的片上半导体激光器1采用三五族半导体材料作为增益介质层，三五族半导体材料主要为元素周期表中第IIIA族和第VA族元素以1:1的成分化学比组成的两元化合物，如磷化铟、氮化镓与氮化硼等，较好地，所述增益介质层为多层交替结构，而增益介质层的上下表面均为氮化硅层。较好地，本实施例采用片上泵浦磷化铟激光器，具有发光寿命长，噪声低，温度不敏感，频率高，稳定性好，宽波长调谐等优势。
较好地，本实施例所述的片上半导体激光器1为分布反馈式激光器，利用光波导折射率的周期变化，在激光器有源波导区界面附近制作周期光栅来提供反馈。具有极好的性能和便于集成化,经改进还易于实现稳定的单模运转。
本实施例所述的高品质因子微腔2由耦合波导21与环形光学微腔22构成，其中，耦合波导21与环形光学微腔22都集成在芯片上，耦合波导21与环形光学微腔22相切，并且耦合波导21的截面尺寸为亚波长尺寸，耦合波导21接收片上半导体激光器1发出的单频泵浦激光并通过隐逝场进入环形光学微腔22。
较好地，所述环形光学微腔22为二维环状，所述环形光学微腔22具有近等距间隔的谐振模式，可以将入射的单频泵浦激光经非线性光学作用而形成多频光梳激光。同时，环形光学微腔22内的部分多频光梳激光与单频泵浦激光由于背向散射作用，将部分的单频泵浦激光散射返回到所述片上半导体激光器1中，以调控片上半导体激光器1的出射波长。
单频泵浦激光经高品质因子微腔2的波导作用，形成激光器出射频率与微腔腔模自注入锁定，实现光梳的相位锁定与孤子锁模光脉冲产生。
较好地，本实施例所述的耦合波导21和/或所述环形光学微腔22由二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂、氮化铝、氮化镓与锗中的一种材料制成。优选地，所述耦合波导21与所述环形光学微腔22均由二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂、氮化铝、氮化镓与锗中的一种材料制成。
结合图1所示，本实施例所述的微腔光梳激光器，还包括电源5，所述电源5用于向所述片上半导体激光器1供电。较好地，所述电源5可以为储电电池，便于所述微腔光梳激光器户外工作时的正常供电。
在上述实施例的基础上，本实施例提供一种测距装置，包括如上述任一实施方式所述的微腔光梳激光器，还包括电光分离装置3与电光采样时域探测装置4，所述微腔光梳激光器发出的孤子锁模光脉冲通过所述电光分离装置3分成两路，一路转变为电脉冲并传输至所述电光采样时域探测装置4；另一路发射至待测物6并经反射回收，传输至所述电光采样时域探测装置4。
具体地，所述微腔光梳激光器的输出端与所述电光分离装置3的输入端连接，所述电光分离装置3将所述微腔光梳激光器发出的孤子锁模光脉冲进行分束。
具体地，所述电光分离装置3包括光纤分束器31、光纤环形器32和光电转换器33，所述光纤分束器31用于将所述孤子锁模光脉冲分束，一束进入所述光电转换器33转变为电脉冲，所述电脉冲进入到所述电光采样时域探测装置4中；另一束进入所述光纤环形器32，由所述光纤环形器32发射至待测物6并经反射回收，传输至所述电光采样时域探测装置4。
所述电光采样时域探测装置4包括光纤耦合器41、电光相位调制器42和平衡光电探测器43，所述光纤耦合器41的输入端与所述光纤环形器32的输出端连接，所述光纤耦合器41用于接收所述光纤环形器32发送的孤子锁模光脉冲，并将所述孤子锁模光脉冲发送至所述平衡光电探测器43。所述电光相位调制器42的输入端与所述光电转换器33的输出端连接，所述电光相位调制器42用于接收所述光电转换器33发送的电脉冲，并将所述电脉冲通过调制加载到光脉冲，之后发送至所述平衡光电探测器43。
具体地，本实施例所述的光纤耦合器41为3x3的6端口光纤耦合器。具有插损低，高方向性，较好地环境稳定性，偏振损耗低，高回损等优势。
本发明所述的测距装置，系统简单，即开即用，只需一套上述微腔光梳激光器、电光分离装置与电光采样时域探测装置组成的系统，可配置成移动式测距装置，便于生产生活中多种环境的测距。较好地，本发明所述的测距装置采样速率高，可以与光梳重复频率相同，能够达到纳秒级采样时间、纳米级精度。
具体地，在上述实施方式的基础上，本实施例还提供一种如上述任一实施方式所述的测距装置的测距方法，结合图3所示，包括如下步骤：
步骤S1、调节片上半导体激光器1电流值，所述片上半导体激光器1发出单频泵浦激光至耦合波导21，所述耦合波导21将所述单频泵浦激光发送至环形光学微腔22，所述环形光学微腔22与所述耦合波导21内光学耦合生成孤子锁模光脉冲，并将所述孤子锁模光脉冲发送至电光分离装置3；具体地，所述环形光学微腔22内发生非线性光学效应产生光学频率梳，同时少部分的单频泵浦激光通过背向散射返回到片上半导体激光器1中，形成微腔模式与出射激光的自注入锁定，此时光梳相位达成锁定，产生孤子锁模光脉冲并输出至电光分离装置3中。
步骤S2、所述电光分离装置3控制所述孤子锁模光脉冲一部分转变为电脉冲并发送至所述电光采样时域探测装置4中；所述电光分离装置3控制所述孤子锁模光脉冲另一部分发射至待测物6，并接收所述待测物6反射的孤子锁模光脉冲，将反射的孤子锁模光脉冲发送至所述电光采样时域探测装置4中；
具体地，所述电光分离装置3中的光纤分束器31将接收的孤子锁模光脉冲进行分束，一束经由光电转换器33转变为电脉冲，另一束经由光纤环形器32发送至待测物6，待测物6发射所述光纤环形器32发出的光脉冲，并经由光纤环形器32发送至电光采样时域探测装置4中。
步骤S3、所述电光采样时域探测装置根据收集的电脉冲与反射的孤子锁模光脉冲的相对延迟信息，输出待测物的距离信息；
具体地，所述电光采样时域探测装置4通过平衡光电探测器得到未经过电脉冲调制的的孤子光脉冲和经过电脉冲调制的的孤子光脉冲干涉强度，进而得到光脉冲和电脉冲的相对延迟信息，相对延迟时间乘以光速即为待测物6的距离信息。
具体地，电光采样时域探测装置4中高速数据采样处理系统对平衡光电探测器43和集成功率校正探测器接收的信号进行ns级连续采样和解调，依据电脉冲与反射的孤子锁模光脉冲的相对延迟信息，计算出待测物6的距离，并输出距离信息。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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