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Er,Yb:glass + Co:spinel 键合晶体在LIDAR与测距仪中的应用

引言

LIDAR是Light Detection And Ranging的缩写, 它通常是通过向目标照射一束脉冲激光来测了目标的距离等参数。LIDAR(光探测和测距)技术在无人驾驶、遥感测绘、国防安全等领域发挥着重要作用。测距仪作为LIDAR系统的关键部件,要求激光器具备高效、稳定的输出特性。Er,Yb:glass + Co:spinel 键合晶体因其优异的光学性能,成为LIDAR和测距仪中人眼安全激光源的理想选择。

激光测距仪 UL-LRF-15
图1. 激光测距仪 UL-LRF-15

1. Er,Yb:glass 增益介质和Co:spinel被动调Q特性

Er,Yb:glass(Er³⁺/Yb³⁺共掺磷酸盐或硅酸盐玻璃)是一种高效的1.5 μm人眼安全激光增益介质,具有以下优势:

  • 高效能量转换:Yb³⁺在940 nm具有高吸收截面,并通过高效能量转移(>90%)激发Er³⁺,最终实现1535 nm激光输出。
  • 高光-光转换效率:可达~35%,优于传统Er:glass。
  • 优异的热稳定性:上能级寿命长(8–10 ms),适用于高能量脉冲输出。高热导率(1.2–1.5 W/m·K)降低热应力,提高光束质量。
  • 宽光谱增益:增益带宽达60 nm(1500–1560 nm),支持可调谐输出,如1535 nm(LIDAR)和1550 nm(光通信)。
  • 高抗损伤性:损伤阈值达15 J/cm²,耐受高功率泵浦,适用于恶劣环境。

Co:spinel 作为可饱和吸收体(SA),用于被动调Q运作,能够产生高峰值功率的短脉冲输出,使LIDAR系统能够实现远距离、高分辨率测量。

Er,Yb:glass + Co:spinel 键合晶体, 键合晶体, Crylink
图2. Er,Yb:glass + Co:spinel 键合晶体, 键合晶体, Crylink

2. LIDAR系统中的关键应用

Er,Yb:glass + Co:spinel键合晶体在LIDAR和测距仪中的主要应用包括:

  • 无人驾驶激光雷达:1535 nm激光器提供高峰值功率,提升探测范围和目标识别能力,同时减少环境光干扰。
  • 国防与军事测距:人眼安全波长确保士兵操作安全,适用于战场目标定位、弹道测量等远距离测距任务。
  • 地理测绘与环境监测:1535 nm激光能穿透大气中的烟雾和粉尘,提高LIDAR测绘精度,适用于城市建模、森林资源调查等领域。
  • 大气监测与科学研究:该波长的高穿透性适用于气象探测,如测量水汽分布、大气污染物浓度等。
车载激光雷达
图3. 车载激光雷达

3. 1535 nm激光在人眼安全测距中的优势

LIDAR系统通常工作在近红外波段,而1535 nm波长被认为是人眼安全波长,符合IEC 60825标准。其安全性主要体现在:

  • 生物安全性:1535 nm激光主要被角膜与晶状体吸收,显著降低视网膜损伤风险(相较于1064 nm等短波长激光)。
  • 大气传输特性:在雾、雨等复杂环境中具有较高的透射率,且与熔融石英光纤(传输损耗<0.2 dB/km)兼容。
  • 探测器兼容性:与InGaAs光电二极管(室温响应范围900–1700 nm)高效匹配,提升系统信噪比。
1535nm激光器
图4. 1535nm激光器

4. 镀膜技术优化LIDAR性能

为了提高LIDAR系统的效率和稳定性,Er,Yb:glass + Co:spinel 键合晶体通常采用以下镀膜技术:

  • 增透膜(AR@1535nm):减少激光在晶体界面的损耗,提高透射效率。
  • 高反射膜(HR@1535nm + AR@940nm):增强腔内光循环,同时优化泵浦光吸收。
  • 部分反射膜(PR@1535nm):优化输出耦合,提高系统的能量利用率。

通过精确控制薄膜层的厚度和折射率,镀膜技术能够有效降低光损耗,提高反射或透射性能。高质量的增透膜减少腔内光的反射损失,提高泵浦光利用率。高反射膜确保腔内光能量有效循环,增强激光器的输出稳定性,而部分反射膜则可优化激光输出功率,提高LIDAR系统的探测能力。

镀膜车间
图5. 镀膜车间

5. 未来展望

随着LIDAR技术的发展,对激光器的性能要求不断提升。未来,Er,Yb:glass + Co:spinel 键合晶体的优化方向可能包括:

  • 提升泵浦效率:采用更高效的Yb³⁺能量传递机制,提高整体转换效率。
  • 优化热管理:开发更先进的散热结构,减少热透镜效应对光束质量的影响。
  • 精确镀膜控制:通过纳米级薄膜技术,进一步降低光损耗,提高激光输出稳定性。

6. 结论

Er,Yb:glass + Co:spinel 键合晶体凭借其优异的光学特性,在LIDAR和测距仪中发挥着至关重要的作用。其在1535 nm人眼安全波长下的高效激光输出、高峰值功率脉冲特性以及稳定的光学性能,使其成为先进测距和遥感系统的理想选择。此外,该材料在恶劣环境下的可靠性使其适用于军事、航空航天和精密测量等多个领域。

未来,随着镀膜技术、热管理和材料工程的进一步优化,Er,Yb:glass + Co:spinel 键合晶体的应用范围将进一步扩大。新型材料的研究和制造工艺的改进将推动更高效、更稳定的激光器开发,满足不断增长的高精度测距与探测需求。

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