[发明专利]用于探测距离增加的自混合干涉测量术的激光传感器

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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(Laser Beetle)。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l_c的一半，该相干长度l_c近似为：

lc≈λ02ΔλFWHM,]]>

其中λ₀是激光辐射的中心波长，而Δλ_FWHM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l_c的值为l_c≈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。

发明内容

本发明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。