一种集扫描聚焦于一体的VCSEL激光芯片

本发明涉及激光器，具体涉及一种集扫描聚焦于一体的vcsel激光芯片。

背景技术：

1、vcsel激光器具有小体积、出光方向垂直于衬底、易二维集成、阈值电流小、圆形对称光斑、单纵模工作、调制速率高等优异的结构特性和物理特性，已经被广泛应用于实时高速光网络信息系统、大规模数据中心、人脸识别系统、光互联、光存储、光探测等领域。

2、新体制激光雷达中，vcsel激光器是实现光学相干探测和扫描的核心激光光源。相干探测激光雷达相比直接探测激光雷达，抗干扰能力更强，探测精度更高，测距速度更快。此外，相干探测不仅可以测距，还可以测速，可以用于相对运动速度较高的目标测距，具有重大应用价值。

3、但对于传统的激光雷达而言，其内部的激光光源、相位调制器、扫描装置以及聚焦光学系统通常采用分离结构，导致其机械结构复杂、体积大、成本高、光路调试复杂、失效时间短。虽然如今有部分激光雷达采用mems振镜模块实现激光光束的平面扫描，但几何尺寸限制了其震荡幅度，且振镜转角有限，也限制了激光雷达的视场角。此外，传统激光雷达波长也是固定、不可调谐的，只能完成相位的扫描，进而限制了vcsel激光光源在相干探测激光雷达的应用。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种集扫描聚焦于一体的vcsel激光芯片，可实现波长和相位两个维度的扫描。

2、本发明公开了一种集扫描聚焦于一体的vcsel激光芯片，包括：

3、基板；

4、vcsel激光阵列，所述vcsel激光阵列具有m×n个发光单元且焊接在所述基板表面，m≥1，n≥1；

5、m×n个mems微转镜，所述mems微转镜位于所述vcsel激光阵列的上方，且与所述发光单元一一对应；

6、m×n个反射镜，所述反射镜正对所述mems微转镜的出光面，且与所述mems微转镜一一对应；

7、talbot外腔镜，所述talbot外腔镜位于所述mems微转镜和反射镜的上方；

8、光栅，所述光栅贴合在所述talbot外腔镜的上表面；

9、相控制聚焦镜组，所述相控制聚焦镜组由m×n个聚焦透镜组成且位于所述光栅的上方，所述聚焦透镜与所述反射镜光轴中心一一对应。

10、作为本发明的进一步改进，所述基板包括正极金属接触面、负极金属接触面和散热器，所述基板的散热方式包括主动散热和被动散热，所述主动散热包括不单限于风冷散热和液冷散热，所述被动散热包括自然热传导。

11、作为本发明的进一步改进，所述发光单元的激射波长λ包括紫外波段、可见光波段、近红外波段和中远红外波段中的一种，所述发光单元的出光方式为表面出光方式或者底面出光方式，所述发光单元的周期性方式排列包括但不限于正交排列和六边形排列等结构，周期为p；所述发光单元之间的电学连接方式为并联、串联或串并联，并通过金线与所述基板表面的正极金属接触面和负极金属接触面分别连接，形成电学导通回路。

12、作为本发明的进一步改进，所述mems微转镜的表面与所述发光单元的出光方向呈45°，并通过外部电路控制所述mems微转镜的偏转角θ1，实现对所述vcsel发光单元出光方向的调控。

13、作为本发明的进一步改进，偏转角θ1的可调范围为±(0°-50°)。

14、作为本发明的进一步改进，所述反射镜与所述mems微转镜相联动，使所述反射镜的入射面与所述mems微转镜的表面始终保持平行；使所述反射镜的反射光与所述发光单元的出射光平行，均垂直于所述基板的表面。

15、作为本发明的进一步改进，所述talbot外腔镜的厚度t1满足分数阶talbot距离；

16、对正交排列的vcsel激光阵列，所述talbot距离满足zt＝2np2/λ；对于正六边形排列的vcsel激光阵列，所述talbot距离满足zt＝3np2/2λ；

17、式中，zt为talbot距离，n为折射率，p为发光单元的排列周期，λ为波长。

18、作为本发明的进一步改进，所述光栅材料的有效折射率为，光栅周期λ满足布拉格条件mb＝1,2,3...等正整数，λ为波长。

19、作为本发明的进一步改进，所述聚焦透镜的偏转角度可控，使所述vcsel激光阵列发出的所有激光光束合束聚焦于远场某一位置。

20、作为本发明的进一步改进，合束聚焦光束可实现对远场一定距离处三维空间的点扫描。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、本发明可解决传统激光扫描探测模组系统复杂、体积过大、成本高的问题，并可实现激光阵列合束聚焦扫描，增大了扫描精度和扫描范围，可满足不同场景应用的需求。

技术特征：

1.一种集扫描聚焦于一体的vcsel激光芯片，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的集扫描聚焦于一体的vcsel激光芯片，其特征在于，所述基板包括正极金属接触面、负极金属接触面和散热器，所述基板的散热方式包括主动散热和被动散热，所述主动散热包括不单限于风冷散热和液冷散热，所述被动散热包括自然热传导。

3.如权利要求1所述的集扫描聚焦于一体的vcsel激光芯片，其特征在于，所述发光单元的激射波长λ包括紫外波段、可见光波段、近红外波段和中远红外波段中的一种，所述发光单元的出光方式为表面出光方式或者底面出光方式，所述发光单元的周期性方式排列包括但不限于正交排列和六边形排列；所述发光单元之间的电学连接方式为并联、串联或串并联，并通过金线与所述基板表面的正极金属接触面和负极金属接触面分别连接，形成电学导通回路。

4.如权利要求1所述的集扫描聚焦于一体的vcsel激光芯片，其特征在于，所述mems微转镜在外部电路控制下可调节偏转角θ1，以调控发光单元的出光方向。

5.如权利要求4所述的集扫描聚焦于一体的vcsel激光芯片，其特征在于，偏转角θ1的可调范围为±(0°-50°)。

6.如权利要求1所述的集扫描聚焦于一体的vcsel激光芯片，其特征在于，所述反射镜与所述mems微转镜相联动，使所述反射镜的入射面与所述mems微转镜的表面始终保持平行；使所述反射镜的反射光与所述发光单元的出射光平行，均垂直于所述基板的表面。

7.如权利要求1所述的集扫描聚焦于一体的vcsel激光芯片，其特征在于，所述talbot外腔镜的厚度t1满足分数阶talbot距离；

8.如权利要求1所述的集扫描聚焦于一体的vcsel激光芯片，其特征在于，所述光栅材料的有效折射率为光栅周期λ满足布拉格条件mb＝1,2,3...等正整数，λ为波长。

9.如权利要求1所述的集扫描聚焦于一体的vcsel激光芯片，其特征在于，所述聚焦透镜的偏转角度可控，使所述vcsel激光阵列发出的所有激光光束合束聚焦于远场某一位置。

10.如权利要求9所述的集扫描聚焦于一体的vcsel激光芯片，其特征在于，合束聚焦光束可实现对远场一定距离处三维空间的点扫描。

技术总结
本发明公开了一种集扫描聚焦于一体的VCSEL激光芯片，包括：基板，VCSEL激光阵列具有M×N个发光单元且焊接在基板表面；M×N个MEMS微转镜位于VCSEL激光阵列的上方，且与发光单元一一对应；M×N个反射镜正对MEMS微转镜的出光面，且与MEMS微转镜一一对应；Talbot外腔镜位于MEMS微转镜和反射镜的上方，光栅贴合在Talbot外腔镜的上表面，实现第一维波长扫描；相控制聚焦镜组由M×N个聚焦透镜组成且位于光栅的上方，聚焦透镜与反射镜光轴一一对应，实现第二维相位扫描。本发明的VCSEL激光芯片可同时实现激光阵列合束聚焦扫描，增大了扫描精度和扫描范围，可满足不同场景应用的需求。

技术研发人员：王智勇,兰天,代京京,张彤
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15