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Er,Yb:glass + Co:spinel 鍵合晶體在LIDAR與測距儀中的應用

引言

LIDAR是Light Detection And Ranging的縮寫, 它通常是通過向目標照射一束脈沖激光來測了目標的距離等參數。LIDAR(光探測和測距)技術在無人駕駛、遙感測繪、國防安全等領域發揮著重要作用。測距儀作為LIDAR系統的關鍵部件,要求激光器具備高效、穩定的輸出特性。Er,Yb:glass + Co:spinel 鍵合晶體因其優異的光學性能,成為LIDAR和測距儀中人眼安全激光源的理想選擇。

激光測距儀 UL-LRF-15
圖1. 激光測距儀 UL-LRF-15

1. Er,Yb:glass 增益介質和Co:spinel被動調Q特性

Er,Yb:glass(Er3?/Yb3?共摻磷酸鹽或硅酸鹽玻璃)是一種高效的1.5 μm人眼安全激光增益介質,具有以下優勢:

  • 高效能量轉換:Yb3?在940 nm具有高吸收截面,并通過高效能量轉移(>90%)激發Er3?,最終實現1535 nm激光輸出。
  • 高光-光轉換效率:可達~35%,優于傳統Er:glass。
  • 優異的熱穩定性:上能級壽命長(8–10 ms),適用于高能量脈沖輸出。高熱導率(1.2–1.5 W/m·K)降低熱應力,提高光束質量。
  • 寬光譜增益:增益帶寬達60 nm(1500–1560 nm),支持可調諧輸出,如1535 nm(LIDAR)和1550 nm(光通信)。
  • 高抗損傷性:損傷閾值達15 J/cm2,耐受高功率泵浦,適用于惡劣環境。

Co:spinel 作為可飽和吸收體(SA),用于被動調Q運作,能夠產生高峰值功率的短脈沖輸出,使LIDAR系統能夠實現遠距離、高分辨率測量。

Er,Yb:glass + Co:spinel 鍵合晶體, 鍵合晶體, Crylink
圖2. Er,Yb:glass + Co:spinel 鍵合晶體, 鍵合晶體, Crylink

2. LIDAR系統中的關鍵應用

Er,Yb:glass + Co:spinel鍵合晶體在LIDAR和測距儀中的主要應用包括:

  • 無人駕駛激光雷達:1535 nm激光器提供高峰值功率,提升探測范圍和目標識別能力,同時減少環境光干擾。
  • 國防與軍事測距:人眼安全波長確保士兵操作安全,適用于戰場目標定位、彈道測量等遠距離測距任務。
  • 地理測繪與環境監測:1535 nm激光能穿透大氣中的煙霧和粉塵,提高LIDAR測繪精度,適用于城市建模、森林資源調查等領域。
  • 大氣監測與科學研究:該波長的高穿透性適用于氣象探測,如測量水汽分布、大氣污染物濃度等。
車載激光雷達
圖3. 車載激光雷達

3. 1535 nm激光在人眼安全測距中的優勢

LIDAR系統通常工作在近紅外波段,而1535 nm波長被認為是人眼安全波長,符合IEC 60825標準。其安全性主要體現在:

  • 生物安全性:1535 nm激光主要被角膜與晶狀體吸收,顯著降低視網膜損傷風險(相較于1064 nm等短波長激光)。
  • 大氣傳輸特性:在霧、雨等復雜環境中具有較高的透射率,且與熔融石英光纖(傳輸損耗<0.2 dB/km)兼容。
  • 探測器兼容性:與InGaAs光電二極管(室溫響應范圍900–1700 nm)高效匹配,提升系統信噪比。
1535nm激光器
圖4. 1535nm激光器

4. 鍍膜技術優化LIDAR性能

為了提高LIDAR系統的效率和穩定性,Er,Yb:glass + Co:spinel 鍵合晶體通常采用以下鍍膜技術:

  • 增透膜(AR@1535nm):減少激光在晶體界面的損耗,提高透射效率。
  • 高反射膜(HR@1535nm + AR@940nm):增強腔內光循環,同時優化泵浦光吸收。
  • 部分反射膜(PR@1535nm):優化輸出耦合,提高系統的能量利用率。

通過精確控制薄膜層的厚度和折射率,鍍膜技術能夠有效降低光損耗,提高反射或透射性能。高質量的增透膜減少腔內光的反射損失,提高泵浦光利用率。高反射膜確保腔內光能量有效循環,增強激光器的輸出穩定性,而部分反射膜則可優化激光輸出功率,提高LIDAR系統的探測能力。

鍍膜車間
圖5. 鍍膜車間

5. 未來展望

隨著LIDAR技術的發展,對激光器的性能要求不斷提升。未來,Er,Yb:glass + Co:spinel 鍵合晶體的優化方向可能包括:

  • 提升泵浦效率:采用更高效的Yb3?能量傳遞機制,提高整體轉換效率。
  • 優化熱管理:開發更先進的散熱結構,減少熱透鏡效應對光束質量的影響。
  • 精確鍍膜控制:通過納米級薄膜技術,進一步降低光損耗,提高激光輸出穩定性。

6. 結論

Er,Yb:glass + Co:spinel 鍵合晶體憑借其優異的光學特性,在LIDAR和測距儀中發揮著至關重要的作用。其在1535 nm人眼安全波長下的高效激光輸出、高峰值功率脈沖特性以及穩定的光學性能,使其成為先進測距和遙感系統的理想選擇。此外,該材料在惡劣環境下的可靠性使其適用于軍事、航空航天和精密測量等多個領域。

未來,隨著鍍膜技術、熱管理和材料工程的進一步優化,Er,Yb:glass + Co:spinel 鍵合晶體的應用范圍將進一步擴大。新型材料的研究和制造工藝的改進將推動更高效、更穩定的激光器開發,滿足不斷增長的高精度測距與探測需求。

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