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光学博览
助力激光雷达发展,长进激光推出保偏铒镱共掺光纤

激光雷达是一种新兴崛起的感知硬件,凭借强大的三维感知能力被越来越多的行业所熟知。近两年,随着无人驾驶、遥感测绘、测距测风等新技术的飞速发展,激光雷达作为一种环境感知传感器,愈发受到行业重视,显示出巨大的市场前景!

激光雷达一般是由激光器、激光发射机、激光接收机、计算机处理等模块构成。它是将脉冲激光作为信号源,并与激光接收机接收的信号做比较,用相位、频率、偏振以及振幅等参数通过计算机处理得到我们想要的信息。

激光光源是激光雷达核心装置,相当一部分激光雷达采用905nm半导体光源。这种光源的优点是成本较低、相对成熟,最终产品的尺寸也相对较小,但抗干扰能力弱,探测距离短,对雨雾的穿透力不足,最重要的一点是905nm激光在人眼安全方面存在不小的风险。

相较于905nm半导体激光器,1550nm光纤激光器具有光束质量好、峰值功率高、探测距离远、人眼安全等优点,已逐渐成为未来无人驾驶、车辆安全预警、测距、测风等激光雷达领域重要技术方案之一。

武汉长进激光技术有限公司(简称长进激光)基于20年特种光纤深耕经验,为1550nm光纤激光雷达特别推出了单掺铒光纤、铒镱共掺光纤以及铒镱共掺保偏光纤等系列光纤。

尤其是激光雷达用的铒镱共掺保偏光纤,目前已被限制进口。长进激光作为国内第一家推出铒镱共掺保偏光纤的企业,旨在突破国外封锁,为我国激光雷达产业的快速发展保驾护航。

据悉,上述光纤指标达到进口同类产品水平,部分参数指标超过进口产品。产品一经推出,获得了客户的广泛认可。

激光雷达的应用

激光测距

激光测距一般采用脉冲式激光器作为光源。1550nm脉冲激光具有激光发散角小、脉冲能量高、人眼安全等优点,成为激光测距的理想光源。

脉冲激光测距的基本原理是激光器发射激光脉冲,该激光脉冲在击中障碍物后被反射回来并被接收系统接收和处理,通过激光器发射信号和反射信号的时间差,就可以计算出目标距离。激光测距多应用于电力、建筑,地质,消防,铁路,农业,林业,军事等领域。

1550nm光纤激光器具有体积小、转换效率高、光束质量好等优点。一般使用的增益介质是铒纤及铒镱共掺光纤,通过980nm泵浦与单模铒纤进行第一级预防大,二级放大则采用940nm泵浦与双包层铒镱共掺光纤完成,如图1所示。

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图1、1550nm脉冲光纤激光器原理图

车载激光雷达

近几年来,自动驾驶的概念越来越被频繁的提及,而自动辅助驾驶技术也在快速的发展,车载激光雷达被认为是 L3 级及以上自动驾驶必备传感器。其主要通过激光的飞行时间确定与障碍物的距离,同时通过激光光束测量障碍物物体轮廓与汽车之间的相对距离,再将这些信息绘制成周围环境高精度3D地图,从而保证了无人驾驶的安全性。

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图2、车载激光雷达应用

目前激光雷达厂商主要使用波长为905nm和1550nm的激光发射器,波长为1550nm的光线不容易在人眼液体中传输,这意味着采用波长为1550nm激光的激光雷达的功率可以相当高,而不会造成视网膜损伤。

更高的功率,意味着更远的探测距离,更长的波长,意味着更容易穿透粉尘雾霾。因此,1550nm激光雷达越来越成为车载激光雷达的重要技术方案。

虽然有行业人士认为 1550nm激光器成本居高不下,但通过自身研发能力与供应链能力降低 1550nm激光雷达的整体成本,从而为客户提供高性价比的激光雷达产品。

测风激光雷达

随着国家对环境的重视,风力发电作为一种新能源逐渐成为国家战略性新兴产业,风力发电装机量持续增长。据有关研究指出,到2030年左右,风力发电总量占电力总量的比例会达到26%。但是风能作为自然界一种不可控资源,如何充分利用好风力资源则显得尤为重要。

由于山顶和沿海的风力资源非常丰富,而风力发电机的叶片非常大且沉重,重量达到20吨左右,因此风力发电机的建设难度相当巨大。而在极端气候下,如果叶片不能根据风向实时调整方向,可能会对叶片和机组造成损坏,造成重大经济损失。通过安装测风激光雷达实时监测风向并及时调整叶片的方向,可以有效的保障风力发电机的安全使用和提高发电效率。

相干多普勒测风激光雷达作为一种新型的移动测风雷达,具有测量精度高、时空分辨率高、探测范围广、响应速度快等优点,成为测风雷达的主流方案。多普勒测风激光雷达是利用光的多普勒效应,通过测量激光光束在大气环境中传输其回波信号的多普勒频移来进行演示风速的分布。

多普勒测风激光雷达的探测方式分两种,分别是相干探测与非相干探测方式。相干探测测量的是返回光信号与发射激光信号之间的差频信号,非相干探测测量的是返回信号与发射激光信号的能量变化。相干探测不易受环境的影响,并且具有较高的灵敏度和器件容易集成等优点,被广泛应用于商业化的测风激光雷达系统中。

1.5μm保偏光纤激光具有人眼安全及探测距离远等优势,成为相干测风雷达光源最成熟的方案。

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图3、1550nm测风激光雷达原理图

图3为1550nm相干测风激光雷达简易原理图。如图所示种子激光器输出的激光经过保偏分束器将激光分为两束。

一束经过AOM(声光调制器)调制后,经过掺铒光纤放大器(EDFA)进行预放大,然后通过铒镱共掺光纤放大器(EYDFA)进行放大,提高脉冲激光的能量,再经过激光环形器,通过望远镜聚焦到目标位置。聚焦的激光束与大气中的气溶胶粒子发生散射作用(激光波长与气溶胶粒子尺寸相差不大),其中后向散射的部分能量,经过望远镜耦合到环形器。

保偏分束器分出的另一束激光作为本振光与环形器接收的激光,经过单模保偏耦合器进入平衡探测器进行混频,混频之后的信号经过低通滤波、放大之后被模数采集卡采集、存储,最终由计算机完成处理工作。整个系统中使用的光纤和光纤无源器件均为保偏光器件,因为保偏器件能够最大程度上减小由于回波激光偏振态与本振光不匹配导致的噪声,提高信号光和本振光的相干效率,并最终提高系统信噪比,从而实现精确测量。

铒镱共掺光纤的现状

铒纤及铒镱共掺光纤是1550nm激光雷达光源的核心增益材料,由于制造难度极大,其生产核心技术及其工艺一直都被国外光纤企业垄断。

长期以来,国内的相关激光雷达企业都是通过高价购买国外的铒镱光纤来进行相关激光雷达的研发与生产,严重制约了我国激光雷达产业的发展。

特别是在目前的国际形势下,国外不断加强对国内的技术封锁,测风激光雷达光源的核心增益材料(25/300保偏铒镱共掺光纤)已经被限制进口,购买难度越来越大,未来可能面临无法购买的局面。这就使我国的激光雷达行业的发展受限于国外,整个产业链都处于非常被动的局面。

长进激光通过二十多年的技术积累和创新研发,成功研制出铒镱共掺光纤、保偏掺铒光纤以及保偏铒镱共掺光纤,其中铒镱共掺光纤(10/125)年出货量达百公里,光纤的性能及一致性均达到进口光纤水准,客户满意度高。特别是作为国外战略限制出口的25/300系列大纤芯铒镱保偏光纤也已经研制成功,在光纤规格和性能方面均达到国外知名光纤水准,客户评价极高。

长进激光自主研发的6/125掺铒光纤以及10/125双包层铒镱共掺光纤已成功应用于1550nm脉冲光纤激光器中。如图4为铒镱共掺光纤的光纤截面图(左)与斜率效率(右)。

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图4、铒镱共掺光纤截面图及其光光效率

长进激光10/128铒镱共掺保偏光纤截面图及斜率效率如下图所示:

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图5、10/128保偏铒镱共掺光纤截面图及其光光效率

长进激光25/300保偏铒镱共掺光纤截面图及斜率效率如下图所示:

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图6、25/300铒镱共掺保偏光纤截面图及其斜率效率

随着激光雷达技术的发展,铒镱共掺光纤的用途会越来越广泛,长进激光也必定会顺应市场需求,对铒镱共掺光纤进行持续投入,为国内激光雷达等行业的发展提供有利的技术支撑。

2021年9月16日至18日,第23届中国国际光电博览会将在深圳国际会展中心盛大举行,一年一度的深圳光博会汇聚了通信、激光、光电行业相关的诸多企业一同参展,规模也呈逐年扩大趋势。长进激光作为国内知名的光纤厂商,将会在展会上展示最新的光纤产品及其光纤研发成果(展位号:2号馆D010),届时欢迎各行业相关人士前往洽谈。■