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Er,Yb:glass + Co:spinel 鍵合晶體在LIDAR與測(cè)距儀中的應(yīng)用

新聞, 晶體 / 2025年2月10日

引言

LIDAR是Light Detection And Ranging的縮寫， 它通常是通過(guò)向目標(biāo)照射一束脈沖激光來(lái)測(cè)了目標(biāo)的距離等參數(shù)。LIDAR（光探測(cè)和測(cè)距）技術(shù)在無(wú)人駕駛、遙感測(cè)繪、國(guó)防安全等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。測(cè)距儀作為L(zhǎng)IDAR系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，要求激光器具備高效、穩(wěn)定的輸出特性。Er,Yb:glass + Co:spinel 鍵合晶體因其優(yōu)異的光學(xué)性能，成為L(zhǎng)IDAR和測(cè)距儀中人眼安全激光源的理想選擇。

激光測(cè)距儀 UL-LRF-15
圖1. 激光測(cè)距儀 UL-LRF-15

1. Er,Yb:glass 增益介質(zhì)和Co:spinel被動(dòng)調(diào)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(zhì)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

  • 高效能量轉(zhuǎn)換：Yb3?在940 nm具有高吸收截面，并通過(guò)高效能量轉(zhuǎn)移（>90%）激發(fā)Er3?，最終實(shí)現(xiàn)1535 nm激光輸出。
  • 高光-光轉(zhuǎn)換效率：可達(dá)~35%，優(yōu)于傳統(tǒng)Er:glass。
  • 優(yōu)異的熱穩(wěn)定性：上能級(jí)壽命長(zhǎng)（8–10 ms），適用于高能量脈沖輸出。高熱導(dǎo)率（1.2–1.5 W/m·K）降低熱應(yīng)力，提高光束質(zhì)量。
  • 寬光譜增益：增益帶寬達(dá)60 nm（1500–1560 nm），支持可調(diào)諧輸出，如1535 nm（LIDAR）和1550 nm（光通信）。
  • 高抗損傷性：損傷閾值達(dá)15 J/cm2，耐受高功率泵浦，適用于惡劣環(huán)境。

Co:spinel 作為可飽和吸收體（SA），用于被動(dòng)調(diào)Q運(yùn)作，能夠產(chǎn)生高峰值功率的短脈沖輸出，使LIDAR系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、高分辨率測(cè)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(tǒng)中的關(guān)鍵應(yīng)用

Er,Yb:glass + Co:spinel鍵合晶體在LIDAR和測(cè)距儀中的主要應(yīng)用包括：

  • 無(wú)人駕駛激光雷達(dá)：1535 nm激光器提供高峰值功率，提升探測(cè)范圍和目標(biāo)識(shí)別能力，同時(shí)減少環(huán)境光干擾。
  • 國(guó)防與軍事測(cè)距：人眼安全波長(zhǎng)確保士兵操作安全，適用于戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)定位、彈道測(cè)量等遠(yuǎn)距離測(cè)距任務(wù)。
  • 地理測(cè)繪與環(huán)境監(jiān)測(cè)：1535 nm激光能穿透大氣中的煙霧和粉塵，提高LIDAR測(cè)繪精度，適用于城市建模、森林資源調(diào)查等領(lǐng)域。
  • 大氣監(jiān)測(cè)與科學(xué)研究：該波長(zhǎng)的高穿透性適用于氣象探測(cè)，如測(cè)量水汽分布、大氣污染物濃度等。
車載激光雷達(dá)
圖3. 車載激光雷達(dá)

3. 1535 nm激光在人眼安全測(cè)距中的優(yōu)勢(shì)

LIDAR系統(tǒng)通常工作在近紅外波段，而1535 nm波長(zhǎng)被認(rèn)為是人眼安全波長(zhǎng)，符合IEC 60825標(biāo)準(zhǔn)。其安全性主要體現(xiàn)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(wǎng)膜損傷風(fēng)險(xiǎn)（相較于1064 nm等短波長(zhǎng)激光）。
  • 大氣傳輸特性：在霧、雨等復(fù)雜環(huán)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(cè)器兼容性：與InGaAs光電二極管（室溫響應(yīng)范圍900–1700 nm）高效匹配，提升系統(tǒng)信噪比。
1535nm激光器
圖4. 1535nm激光器

4. 鍍膜技術(shù)優(yōu)化LIDAR性能

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

  • 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(qiáng)腔內(nèi)光循環(huán)，同時(shí)優(yōu)化泵浦光吸收。
  • 部分反射膜（PR@1535nm）：優(yōu)化輸出耦合，提高系統(tǒng)的能量利用率。

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

鍍膜車間
圖5. 鍍膜車間

5. 未來(lái)展望

隨著LIDAR技術(shù)的發(fā)展，對(duì)激光器的性能要求不斷提升。未來(lái)，Er,Yb:glass + Co:spinel 鍵合晶體的優(yōu)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(jī)制，提高整體轉(zhuǎn)換效率。
  • 優(yōu)化熱管理：開發(fā)更先進(jìn)的散熱結(jié)構(gòu)，減少熱透鏡效應(yīng)對(duì)光束質(zhì)量的影響。
  • 精確鍍膜控制：通過(guò)納米級(jí)薄膜技術(shù)，進(jìn)一步降低光損耗，提高激光輸出穩(wěn)定性。

6. 結(jié)論

Er,Yb:glass + Co:spinel 鍵合晶體憑借其優(yōu)異的光學(xué)特性，在LIDAR和測(cè)距儀中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其在1535 nm人眼安全波長(zhǎng)下的高效激光輸出、高峰值功率脈沖特性以及穩(wěn)定的光學(xué)性能，使其成為先進(jìn)測(cè)距和遙感系統(tǒng)的理想選擇。此外，該材料在惡劣環(huán)境下的可靠性使其適用于軍事、航空航天和精密測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域。

未來(lái)，隨著鍍膜技術(shù)、熱管理和材料工程的進(jìn)一步優(yōu)化，Er,Yb:glass + Co:spinel 鍵合晶體的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。新型材料的研究和制造工藝的改進(jìn)將推動(dòng)更高效、更穩(wěn)定的激光器開發(fā)，滿足不斷增長(zhǎng)的高精度測(cè)距與探測(cè)需求。

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