一种激光雷达系统
阅读说明：本技术 一种激光雷达系统 (Laser radar system ) 是由 赵润 邱平平 王俊 赵武 刘恒 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种激光雷达系统,包括：半导体激光器,所述半导体激光器包括有源层；窄带滤光片,所述窄带滤光片包括布拉格反射镜层和芯层,所述半导体激光器出射的激光适于透过所述窄带滤光片；所述有源层、布拉格反射镜层和芯层的材料均为三五族半导体材料。即使发生温度变化,所述半导体激光器出射的激光依旧能够透过所述窄带滤光片,因此无需设置温度控制器以控制所述半导体激光器的温度；同时,所述窄带滤光片的滤光范围较小,这使得除了半导体激光器出射的激光之外的大部分波段的光很难透过所述窄带滤光片,从而提高了系统的信噪比,有利于提高检测的灵敏度。(The present invention provides a laser radar system comprising: a semiconductor laser including an active layer; the narrow-band filter comprises a Bragg reflector layer and a core layer, and laser emitted by the semiconductor laser is suitable for penetrating through the narrow-band filter; the active layer, the Bragg reflector layer and the core layer are all made of three-five semiconductor materials. Even if the temperature changes, the laser emitted by the semiconductor laser can still transmit through the narrow-band filter, so that a temperature controller is not required to be arranged to control the temperature of the semiconductor laser; meanwhile, the narrow-band filter has a small filtering range, so that most of the wave bands except the laser emitted by the semiconductor laser are difficult to penetrate through the narrow-band filter, the signal-to-noise ratio of the system is improved, and the detection sensitivity is favorably improved.)
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种激光雷达系统。
背景技术
激光雷达系统通过向目标发射探测激光，随后接收目标反射回来的反射激光，并将探测激光与反射激光进行比较，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度等参数，从而实现对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。在白天观测时，受到日光照射的影响，激光雷达系统所接收的反射激光具有较多的背景噪声。为了抑制日光照射的影响，通常采用滤光片对反射激光进行选择性去除。由于常规滤光片的可滤光范围为几十纳米，因此即使半导体激光器出射的激光的波长会随着温度变化发生偏移，半导体激光器出射的激光依旧能够穿过滤光片。
然而，由于常规滤光片的滤光范围较大，除了半导体激光器出射的激光之外，还有较宽波长范围的光也能够穿过滤光片，造成系统的信噪比较低。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有激光雷达系统信噪比较低的缺陷，从而提供一种激光雷达系统。
本发明提供一种激光雷达系统，包括：半导体激光器，所述半导体激光器包括有源层；窄带滤光片，所述窄带滤光片包括布拉格反射镜层和芯层，所述半导体激光器出射的激光适于透过所述窄带滤光片；所述有源层、布拉格反射镜层和芯层的材料均为三五族半导体材料。
可选的，所述布拉格反射镜层包括间隔的第一布拉格反射镜层至第N+1布拉格反射镜层；所述芯层包括间隔的第一芯层至第N芯层，N为大于等于1的整数；第k芯层设置在第k布拉格反射镜层与第k+1布拉格反射镜层之间，k为大于等于1小于或等于N的整数。
可选的，第n布拉格反射镜层包括交替依次层叠的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层的折射率不同于第二半导体层的折射率，所述第一半导体层与所述第二半导体层的折射率的差值为0.1－0.6。
可选的，所述第一半导体层的折射率为2.8－3.15；所述第二半导体层的折射率为3.15－3.5。
可选的，所述第一半导体层的材料为AlxGa1－xAs，x＝0－0.2；所述第二半导体层的材料为AlyGa1－yAs，y＝0.8－1；第一芯层至第N－芯层的材料为AlzGa1－zAs，z＝0－1。
可选的，第一芯层至第N－1芯层的光学厚度均为所述半导体激光器在工作温度出射的激光的波长的四分之一的整数倍。
可选的，第n布拉格反射镜层中，所述第一半导体层的层数为M，所述第二半导体层的层数为M－1，M为5－15。
可选的，所述滤光片还包括：位于所述第一布拉格反射镜层背离所述第一芯层的一侧表面的第一增透膜；位于第N+1布拉格反射镜层背离第N芯层的一侧表面的第二增透膜。
可选的，所述第一增透膜的材料包括氮化硅或氧化硅；所述第二增透膜的材料包括氮化硅或氧化硅。
可选的，所述第一增透膜和所述第二增透膜的光学厚度均为所述半导体激光器在工作温度出射的激光的波长的四分之一。
可选的，所述窄带滤光片的带宽范围为5nm－15nm。
可选的，所述激光雷达系统还包括：分光模块和扫描模块，所述半导体激光器、分光模块和扫描模块位于第一轴线上，所述第一轴线与所述分光模块的法线形成第一夹角；激光汇聚模块和探测模块，所述分光模块、窄带滤光片、激光汇聚模块和探测模块位于第二轴线上，所述第一轴线与第二轴向分别位于所述分光模块的法线的两侧，所述第二轴线与所述分光模块的法线形成第二夹角，所述第一夹角与第二夹角相同。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的激光雷达系统，由于所述有源层、布拉格反射镜层和芯层的材料均为三五族半导体材料，且三五族半导体材料的温漂系数十分接近，使得所述半导体激光器出射的激光的波长与所述窄带滤光片的中心波长在发生温度变化时同步偏移，因此，即使发生温度变化，所述半导体激光器出射的激光依旧能够透过所述窄带滤光片，因此无需设置温度控制器以控制所述半导体激光器的温度；同时，所述窄带滤光片的滤光范围较小，这使得除了半导体激光器出射的激光之外的大部分波段的光很难透过所述窄带滤光片，从而提高了系统的信噪比，有利于提高检测的灵敏度。
2.本发明提供的激光雷达系统，通过限定所述第一半导体层与所述第二半导体层的折射率的差值为0.1－0.6，以调控第n布拉格反射镜层的反射率，进而调控所述窄带滤光片的带宽，最终控制所述激光雷达系统的信噪比。具体的，所述第一半导体层与所述第二半导体层的折射率的差值越大，第n布拉格反射镜层的反射率越大，窄带滤光片的通带越窄，带宽越小。
3.本发明提供的激光雷达系统，第一增透膜和第二增透膜能够增大所述窄带滤光片的透过率，从而有利于提高探测结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的激光雷达系统的结构示意图；
图2为图1所示的窄带滤光片的结构示意图；
附图标记说明：
1－半导体激光器；2－窄带滤光片；21－第一增透膜；22－第一布拉格反射镜层；23－第一芯层；24－第二布拉格反射镜层；25－第二增透膜；3－分光模块；4－扫描模块；5－激光汇聚模块；6－探测模块；7－控制模块；8－电源；9－目标障碍物。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见图1，本实施例提供一种激光雷达系统，包括：半导体激光器1，所述半导体激光器1包括有源层；窄带滤光片2，所述窄带滤光片2包括布拉格反射镜层和芯层，所述半导体激光器1出射的激光适于透过所述窄带滤光片2；所述有源层、布拉格反射镜层和芯层的材料均为三五族半导体材料。
上述激光雷达系统，由于所述有源层、布拉格反射镜层和芯层的材料均为三五族半导体材料，且三五族半导体材料的温漂系数十分接近，使得所述半导体激光器1出射的激光的波长与所述窄带滤光片2的中心波长在发生温度变化时同步偏移，因此，即使发生温度变化，所述半导体激光器1出射的激光依旧能够透过所述窄带滤光片2，因此无需设置温度控制器以控制所述半导体激光器1的温度；同时，所述窄带滤光片2的滤光范围较小，这使得除了半导体激光器1出射的激光之外的大部分波段的光很难透过所述窄带滤光片2，从而提高了系统的信噪比，有利于提高检测的灵敏度。
在本实施例中，所述激光雷达系统还包括：分光模块3和扫描模块4，所述半导体激光器1、分光模块3和扫描模块4位于第一轴线上，所述第一轴线与所述分光模块3的法线形成第一夹角；激光汇聚模块5和探测模块6，所述分光模块3、窄带滤光片2、激光汇聚模块5和探测模块6位于第二轴线上，所述第一轴线与第二轴向分别位于所述分光模块3的法线的两侧，所述第二轴线与所述分光模块3的法线形成第二夹角，所述第一夹角与第二夹角相同。所述半导体激光器1发出的激光透过所述分光模块3并到达所述扫描模块4，所述扫描模块4向二维空间发射激光；当二维空间存在目标障碍物9时，所述目标障碍物9将所述激光反射回来；随后，激光经过所述扫描模块4照射至所述分光模块3，所述分光模块3将所述激光反射至所述窄带滤光片2进行滤光；滤光后的激光经过激光汇聚模块5进行会聚后进入所述探测模块6，所述探测模块6对激光进行分析。需要理解的是，所述目标障碍物9反射回来的激光与所述半导体激光器1发出的激光的波长相同。
进一步地，所述激光雷达系统还包括：控制模块7和电源8，所述电源8适于为所述半导体激光器1供能，所述控制模块7与电源8电学连接，所述控制模块7适于控制所述半导体激光器1发射激光并控制所述探测模块6接收激光。
具体的，所述半导体激光器1可以为分布式反馈激光器或垂直腔面发射激光器，所述半导体激光器1具有正温度系数。具体的，所述半导体激光器1在900nm-1064nm波段的温漂系数为0.06nm/℃-0.075nm/℃，在1310nm-1550nm波段的温漂系数为0.08nm/℃-0.09nm/℃。扫描模块4可以为二维振镜或激光扫描光学系统；激光汇聚模块5可以为会聚透镜或会聚光学系统；探测模块6可以为探测器或探测器阵列。
在本实施例中，参见图2，所述布拉格反射镜层包括间隔的第一布拉格反射镜层22至第N+1布拉格反射镜层；所述芯层包括间隔的第一芯层23至第N芯层，N为大于等于1的整数；第k芯层设置在第k布拉格反射镜层与第k+1布拉格反射镜层之间，k为大于等于1小于或等于N的整数。第n布拉格反射镜层包括交替依次层叠的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层的折射率不同于第二半导体层的折射率，所述第一半导体层与所述第二半导体层的折射率的差值为0.1－0.6。上述限定以调控第n布拉格反射镜层的反射率，进而调控所述窄带滤光片2的带宽，最终控制所述激光雷达系统的信噪比。具体的，所述第一半导体层与所述第二半导体层的折射率的差值越大，第n布拉格反射镜层的反射率越大，窄带滤光片2的通带越窄带宽越小。具体的，所述窄带滤光片2的带宽范围为5nm－15nm。
具体的，所述第一半导体层的折射率为2.8－3.15；所述第二半导体层的折射率为3.15－3.5。示例性的，所述第一半导体层的折射率可以为2.8％、2.9％、3.0％、3.1％或3.15％，所述第二半导体层的折射率可以为3.15％、3.2％、3.3％、3.4％或3.5％。
进一步地，所述第一半导体层的材料为AlxGa1－xAs，x＝0－0.2；所述第二半导体层的材料为AlyGa1－yAs，y＝0.8－1；第一芯层23至第N－芯层的材料为AlzGa1－zAs，z＝0－1。示例性的，所述第一半导体层的材料可以为Al0.1Ga0.9As、Al0.2Ga0.8As、Al0.15Ga0.85As或GaAs；所述第二半导体层的材料可以为Al0.8Ga0.2As、Al0.9Ga0.1As、Al0.85Ga0.15As或AlAs；第一芯层23至第N－芯层的材料可以为GaAs、Al0.1Ga0.9As、Al0.2Ga0.8As、Al0.3Ga0.7As、Al0.4Ga0.6As、Al0.5Ga0.5As、Al0.6Ga0.4As、Al0.7Ga0.3As、Al0.8Ga0.2As、Al0.9Ga0.1As或AlAs。GaAs的折射率为3.5，AlAs的折射率为2.9。需要理解的是，所述第一半导体层、第二半导体层、第一芯层23至第N－芯层的材料包括但不限于上述材料。
进一步地，所述第一半导体层与所述第二半导体层的光学厚度均为所述半导体激光器在工作温度出射的激光的波长的四分之一。
进一步地，第n布拉格反射镜层中，所述第一半导体层的层数为M，所述第二半导体层的层数为M－1，M为5－15。所述第一半导体层和第二半导体层的层数越多，第n布拉格反射镜层的反射率越高，从而调控带滤光片的带宽，最终控制所述激光雷达系统的信噪比。
在本实施例中，第一芯层23至第N－1芯层的光学厚度均为所述半导体激光器在工作温度出射的激光的波长的四分之一的整数倍。所述窄带滤光片2的中心波长由第一芯层23至第N－1芯层的光学厚度决定，上述限定使在所述半导体激光器1的工作温度，所述窄带滤光片2的中心波长等于所述半导体激光器1出射的激光的波长，从而保证工作温度下所述窄带滤光片2的通带与所述半导体激光器1发射的激光的波长相匹配，当所述半导体激光器1的环境温度在工作温度附近波动时，所述半导体激光器1出射的激光依旧能够透过所述窄带滤光片2。需要理解的是，所述半导体激光器的工作温度与所述半导体激光器的类型和材料相关，所述工作温度为一具体的温度值。
在本实施例中，N可以为1或2。即，参见图2，所述窄带滤光片2包括依次层叠设置的第一布拉格反射镜层22、第一芯层23和第二布拉格反射镜层24；或者，所述窄带滤光片2包括依次层叠设置的第一布拉格反射镜层、第一芯层、第二布拉格反射镜层、第二芯层和第三布拉格反射镜层。
在本实施例中，参见图2，所述滤光片还包括：位于所述第一布拉格反射镜层22背离所述第一芯层23的一侧表面的第一增透膜21；位于第N+1布拉格反射镜层背离第N芯层的一侧表面的第二增透膜25。第一增透膜21和第二增透膜25能够增大所述窄带滤光片2的透过率，从而有利于提高探测结果的准确性。
具体的，所述第一增透膜21的材料包括氮化硅或氧化硅；所述第二增透膜25的材料包括氮化硅或氧化硅。所述第一增透膜21和所述第二增透膜25的光学厚度均为所述半导体激光器在工作温度出射的激光的波长的四分之一。
需要理解的是，本申请中所述的任一结构层的光学厚度等于结构层的折射率与结构层的几何厚度的乘积。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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