用于探测距离增加的自混合干涉测量术的激光传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于自混合干涉测量术的激光传感器。该激光传感器包括至少一个发射激光辐射的半导体激光光源和至少一个监测该激光光源的激光辐射的光电探测器（6）。该激光光源是具有在第一端镜（4）的前侧上布置成层结构（15）的增益介质（3）的VECSEL，所述第一端镜（4）与外部第二端镜（5）形成外腔。所提出的激光传感器提供了增加的探测距离并且能够以低成本的生产工艺来制造。

Laser sensor for self mixing interferometry for increased detection distance

The present invention relates to a laser sensor for self mixing interferometry. The laser sensor includes at least one semiconductor laser light source for emitting laser radiation and at least one photoelectric detector (6) for monitoring laser radiation of the laser light source. The laser light source is a VECSEL having a gain medium (3) arranged on the front side of the first end mirror (4) with a layer structure (15), and the first end mirror (4) forms an outer cavity with an outer second end mirror (5). The proposed laser sensor provides increased detection distance and can be fabricated at a low cost production process.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于自混合干涉测量术的激光传感器，其包括至少一个发射激光辐射的半导体激光光源和至少一个监测该激光光源的激光辐射的光电探测器。基于自混合干涉测量术（SMI）的激光传感器提供了测量速度、振动和距离的可能性，并且因此覆盖了宽的应用范围。SMI激光传感器利用下述效应：从目标物体被向后散射并再次进入激光腔的激光与谐振辐射干涉并因此影响该激光器的输出特性。当该激光器以高出激光阈值不太多的情形操作时，对向后耦合的光的响应是线性的，并且所得的输出功率或频率变化包含关于所述目标物体相对于传感器的运动或距离的可追踪的信息。经由光电探测器收集包含该信息的激光输出信号。
技术介绍
在SMI激光传感器中，半导体激光器通常用作激光光源。如果这些激光器用所定义的电流形状（例如周期性的锯齿形或三角形电流）来操作，则激光的输出频率几乎即刻地遵循这些电流变化，这归因于同时改变的光学谐振器长度。所得的谐振光与向后散射的光之间的频率差异可以在适当的评价单元中被评价并且被转化回期望的位置或速度信息。红外垂直腔表面发射激光器（VCSEL）在光通信应用中十分常见。该激光腔由两个分布布拉格反射器（DBR）的堆叠组成，这两个堆叠外延地生长在合适的衬底上并且围成由几个量子阱构成的增益区域。该DBR层还接管了将电流馈送到所述增益区域中的任务。因此所述DBR之一是n掺杂，而另一个为p掺杂。在这样的VCSEL中，所述DBR中的一个设计为高反射性的，典型地p-DBR针对激射（lasing）波长的反射率为>99.9%，而另一个DBR允许激光辐射的高效向外耦合（outcoupling）并且因此也允许从目标物体进入激光腔的反馈。VCSEL的卓越优点在于，它们的表面发射特性使得它们适合于晶片级上的大量的生产和测试，这开放（open）了低成本生产工艺的可能性。而且，可以经由发射表面的面积将输出功率缩放至一定程度。可以通过使用VCSEL阵列获得更大的输出功率。已知的基于自混合干涉测量术的并且包括VCSEL作为激光光源的激光传感器是飞利浦的激光甲虫（LaserBeetle）。该激光传感器被用作PC激光鼠标中的运动传感器。该VCSEL发射大约1μm波长且具有几毫瓦的典型输出功率的红外光。由于VCSEL的短的相干长度和低输出功率密度，该传感器的探测距离被限制于几个毫米。这个短的探测距离是具有VCSEL作为激光光源的激光传感器的主要缺陷。因为SMI激光传感器的感测原理利用了谐振辐射与向后散射的辐射之间的干涉，所以这样的器件的最大可达到距离被限制为所述激光辐射的相干长度lc的一半，该相干长度lc近似为：,其中λ0是激光辐射的中心波长，而ΔλFWHM是其光谱线宽（在最大值的一半处的全宽）。根据典型的中心波长～1μm和发射半宽～0.2nm来估计现存的基于VCSEL的SMI传感器的相干长度，获得lc的值为lc≈5mm，这很好地符合现有器件的探测距离。然而，短的探测距离将这样的基于VCSEL的SMI激光传感器的应用限制于短距离应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于半导体激光光源的SMI激光传感器，其超过了基于VCSEL的SMI激光传感器的探测距离并且仍然能够以低成本的生产工艺来制造。该目的可以利用如权利要求1中所限定的SMI激光传感器实现。该激光传感器的有利实施例是从属权利要求的主题或者在说明书的后续部分中描述。所提出的SMI激光传感器包括至少一个发射优选地频率被调制的激光辐射的半导体激光光源和至少一个监测或感测该激光光源的激光辐射的光电探测器。该激光传感器的特征在于，该激光光源是具有在第一端镜的前侧上布置成层结构的增益介质的垂直外腔表面发射激光器（VECSEL），所述第一端镜与外部第二端镜形成外腔。在这样的VECSEL中，外腔的长度影响所发射的激光辐射的相干长度。传感器控制单元设计为使该VECSEL以这样的方式操作：仅仅在第一和第二端镜之间发生激射。由于所述外腔，激光光源的相干长度相对于VCSEL显著增加。激光辐射的相干长度通过其半宽ΔλFWHM与激光谐振器的腔长度直接相关。例如，对于法布里-珀罗（Fabry-Perot）腔，所述线宽由下式确定：，其中F是激光腔的精细度（Finesse），其依赖于定义的激光镜的反射率，ΔλFSR是自由光谱范围，即两个相邻的纵腔模之间的波长间距。该自由光谱范围通过下面的关系式依赖于腔长度D：将该关系式与上述相干长度lc关系式相结合，得到：显然，对于激光腔的恒定反射属性，所发射的辐射的相干长度lc与腔长度D成比例。VECSEL的增加的腔长度导致与VCSEL相比相干长度lc的显著增加和功率密度的增加。因此，SMI激光传感器的操作或探测距离以相同的比例增加。与VCSEL的腔长度相比，其约为10μm，根据本专利技术的VECSEL的腔长度>1mm。这导致SMI激光传感器的工作距离可观地延长至几米，从而将允许取代更昂贵的技术（比如短距离雷达（RADAR））并且还提供了这样的传感器在汽车应用（例如泊车辅助、盲角监视等等）或者运动检测领域中广泛使用的可能性。由于该VECSEL基于VCSEL构造，所以这样的激光传感器仍然能够以低成本生产工艺通过相似的方式生产。增加的有效腔长度还改进了束质量并且因此便于准直在远距离处的感测激光束。由于其构造，VECSEL允许通过经由所述外部镜的运动改变外腔长度来进行激光辐射的波长扫描或波长调谐，这对于距离测量是必需的。在所提出的激光传感器的一个实施例中，位移单元连接到外部镜，这允许该镜的受控运动改变外腔的腔长度。该位移单元优选地设计为周期性地调制腔长度。通过对腔长度的这种调制，由VECSEL发射的激光辐射的中心波长得到调制。例如，该位移单元可以包括其上安装该外部镜的合适的压电致动器。也可以使用其他类型的位移单元或致动器。VECSEL的构造还允许将波长扫描或波长调谐元件设置在外部镜与增益介质之间。这样的波长调谐单元的优选实例为法布里-珀罗干涉计或标准具（etalon）。法布里-珀罗干涉计包括合适的致动器，以用于调制其两个部件之间的距离。标准具由合适的致动器驱动，该致动器在不同方向或角度之间旋转该标准具以用于VECSEL的波长扫描或波长调谐。在另一个实施例中，所述控制单元控制合适的电源（powersource），以调制VECSEL的操作电流而用于调制激光波长。该控制单元可以设计为例如允许用锯齿形或三角形操作电流来操作该激光器。增益介质的折射率随着电流改变，导致激光腔的有效光学长度改变。这允许经由注入的电流来实现激光辐射的波长调谐。在所提出的激光传感器的另一个实施例中，几个VECSEL并排设置成一维或二维阵列。每个VECSEL以相同的方式设计并且具有对应的光电探测器用于感测激光输出。通过借助于合适的反馈机制在这样的阵列中相干地耦合VECSEL，与仅仅具有单个VECSEL的激光传感器相比，可以获得更高的激光功率以用于感测或测量。在优选实施例中，这样的阵列的VECSEL的外部镜设计成将激光辐射的一部分偏转，从而穿过一个或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于自混合干涉测量术的激光传感器，包括：至少一个发射激光辐射的半导体激光光源和至少一个监测该激光光源的激光辐射的光电探测器（6），其中所述激光光源是具有在第一端镜（4）的前侧上布置成层结构（15）的增益介质（3）的垂直外腔表面发射激光器，所述第一端镜（4）与外部第二端镜（5）形成外腔，所述激光传感器还配置成使激射仅仅在第一和第二端镜之间发生，并且其中所述激光光源的干涉长度取决于形成外腔的所述第一端镜（4）与外部第二端镜（5）之间的距离。

【技术特征摘要】
2007.05.07 EP 07107653.31.一种用于自混合干涉测量术的激光传感器，包括：
至少一个发射激光辐射的半导体激光光源和至少一个监测该激光光源的激光辐射的光电探测器（6），
其中所述激光光源是具有在第一端镜（4）的前侧上布置成层结构（15）的增益介质（3）的垂直外腔表面发射激光器，所述第一端镜（4）与外部第二端镜（5）形成外腔，所述激光传感器还配置成使激射仅仅在第一和第二端镜之间发生，并且
其中所述激光光源的干涉长度取决于形成外腔的所述第一端镜（4）与外部第二端镜（5）之间的距离。
2.根据权利要求1的激光传感器，
其中所述增益介质（3）夹在所述层结构（15）中的两个分布布拉格反射器（2，4）之间，所述分布布拉格反射器中的外部的一个对于激射波长具有比内部分布布拉格反射器更高的反射率并且形成所述外腔的所述第一端镜（4）。
3.根据权利要求2的激光传感器，
其中所述层结构（15）形成在所述外腔内部的光学透明衬底（1）上。
4.根据权利要求2的激光传感器，
其中所述层结构（15）形成在所述外腔外部的衬底（1）上。
5.根据权利要求1的激光传感器，
其中所述光电探测器（6）设置在所述第一端镜（4）的后侧上。
6.根据权利要求1的激光传感器，
进一步包括用于调制所述垂直外腔表面发射激光器的操作电流的控制单元（12）。
7.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：J贝尔，H莫恩克，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL