리다르에서 마이크로 칩 레이저의 적용

마이크로 칩 레이저, 소형 모 놀리 식 구조, 고음 품질 및 뛰어난 안정성을 특징으로하는 것은 가벼운 탐지 및 범위 (LIDAR)를위한 중추적 인 활성화 기술로 떠오르고있다. 자율 주행 및 원격 감지와 같은 응용 프로그램에 LIDAR 시스템이 점점 중요 해짐에 따라 동시에 높은 - 레이저 소스에 대한 수요는 - 효과가 강화됩니다.

1. 소개

1.1 LIDAR 기술의 개요
광 검출 및 범위 (LIDAR)는 레이저 라이트로 대상을 비추고 반사 된 신호를 분석하여 거리를 측정하는 원격 감지 방법입니다. 일반적인 LIDAR 시스템은 레이저 송신기, 민감한 수신기 (일반적으로 눈사태 포토 디오드) 및 스캐닝 메커니즘 (기계적, MEMS 또는 고체 - 상태)의 세 가지 핵심 구성 요소로 구성됩니다. 연속파에서 레이저 펄스 또는 위상 교대의 - 비행 (tof)의 - 시간을 계산함으로써 Lidar는 환경의 정확하고 높은 - 해상도를 생성합니다. 응용 프로그램은 자율 주행 차량, 로봇 공학, 지형 매핑 및 UAV (Manned Aerial Vehicle) 내비게이션에 걸쳐 있으며, 시장 추세는 더 높은 해상도, 장거리 범위, 소규모 형태 요인 및 저렴한 비용을 제공합니다.

1.2 이상적인 라이더 소스에 대한 수요
라이더 시스템의 성능은 레이저 소스의 특성에 의해 근본적으로 제한됩니다. 이상적인 소스는 까다로운 요구 사항 세트를 충족해야합니다.

높은 피크 파워 :긴 - 범위 감지, 대기 감쇠 극복에 필수적입니다.

좁은 펄스 폭 :높은 범위의 정확도와 해상도 (sub - cm 기능)에 중요합니다.

우수한 빔 품질 ({- 회절 근처 - limited) :장거리에서 작고 집중된 지점을 보장하며, 이는 높은 각도 해상도와 대상 차별으로 직접 변환됩니다.

높은 반복 율 :빠른 스캔 및 고밀도 구름 구름을 가능하게하여 프레임 속도 및 객체 인식을 향상시킵니다.

소형화 및 견고성 :자동차 및 드론과 같은 모바일 플랫폼에 통합해야합니다.

높은 신뢰성과 긴 수명 :산업 및 자동차 응용 분야의 가혹한 환경 조건 (온도, 진동)을 견딜 수 있어야합니다.

저렴한 비용 :질량 - 시장 상업화에 대한 전제 조건.

1.3 범위 및 기사 구조
이 기사는 마이크로 칩 레이저가 이러한 다각적 인 요구를 충족시키는 주요 후보라고 주장합니다. 다음 섹션에서는 마이크로 칩 레이저 기술, 다양한 LIDAR 시스템의 적용 및 향후 궤적에 대한 자세한 검사를 제공합니다.

2. 마이크로 칩 레이저 기술 : 상세한 검사

2.1 마이크로 칩 레이저 란 무엇입니까?
마이크로 칩 레이저는 공진 캐비티가 얇은 슬라이스 (일반적으로<1 mm thick) of gain medium, with the cavity mirrors directly coated onto the crystal facets. This monolithic, "chip-like" design eliminates the need for discrete mirrors and complex alignment, resulting in an extremely robust and simple structure.

2.2 운영 원리 및 주요 특성
레이저는 레이저 다이오드 (LD)에 의해 광학적으로 펌핑됩니다. 매우 짧은 공동 길이는 큰 종 방향 모드 간격으로 이어지고 종종 단일 - 주파수 작동을 강요합니다. 펄스 LIDAR의 기본 작동 모드는입니다Q - 전환:

활성 Q - 스위칭 :전기 - 광학 또는 음향 - 구강 내부의 광학 변조기는 정확하게 제어되는 높은 - 에너지 펄스를 생성하는 데 사용됩니다.

패시브 Q - 스위칭 :포화 흡수제 재료 (예 : CR : YAG)는 마이크로 칩 구조에 통합됩니다. 이를 통해 자체 - 펄스가 허용되어 타이밍 제어가 적을수록 레이저를 더 간단하고 컴팩트하며 비용이 적게 듭니다.

이 메커니즘은 킬로와트에서 메가 와트 - 레벨 피크 파워 -가있는 나노 초 - 지속 시간 펄스를 생성합니다.

2.3 마이크로 칩 레이저의 핵심 장점

소형 및 통합성 :그들의 모 놀리 식, 모든 - solid - 상태 설계를 통해 몇 입방 센티미터 이하의 볼륨으로 포장 할 수 있으므로 - 제약 시스템으로의 통합을 용이하게합니다.

우수한 빔 품질 :이 설계는 본질적으로 기본 횡 모드 (TEM00) 작동을 지원하므로 차이가 낮은 회절 - Limited Beam을 초래하며, 이는 긴 - 범위, 높은 - 해상도 이미징에 중요합니다.

높은 피크 전력 및 좁은 펄스 폭 :짧은 공동은 빠른 에너지 추출을 가능하게하여 정확한 TOF 측정에 필요한 짧고 강렬한 펄스를 생성합니다.

고효율 및 안정성 : With integrated Thermoelectric Coolers (TECs), they maintain stable operation over a wide temperature range, ensuring consistent performance and long operational lifetime (>10,000 시간).

저전력 소비 :높은 전기 - to - 광학 효율은 배터리 - 운영 모바일 플랫폼에 이상적입니다.

3. LIDAR 시스템의 특정 응용

3.1 원칙에 의한 응용 프로그램

- 비행 (dtof) lidar의 직접 시간 - : Microchip lasers serve as the ideal pulsed source. Their high peak power enables long-range detection (>자동차의 경우 200m), 좁은 펄스 폭은 높은 정밀도를 보장합니다. 이들은 높은 - Performant Automotive Long - 범위 Lidar 및 Aerial Topographic Mapping Systems의 선호되는 소스입니다.

주파수 - 변조 연속 - wave (fmcw) lidar :단일 - 주파수, 연속 - Wave Microchip 레이저는 FMCW Lidar의 소스로 사용할 수 있습니다. 선형 주파수 -가 chipped 할 때, 자동차 충돌 회피 및 산업 계측의 주요 장점 인 범위와 순간 속도의 동시, 매우 정확한 측정을 허용합니다.

3.2 플랫폼 및 시나리오 별 응용 프로그램

자동차 라이더 :

앞으로 - 길고 - 범위 LIDAR : Utilizes high-power microchip laser arrays to achieve the >고속도로 - 속도 자율 주행에 필요한 150m 범위.

짧은 - 범위/사이드 - lidar :근처 - 필드 인식 및 블라인드 - 스팟 모니터링에 대한 중간 - 전력 마이크로 칩 레이저를 사용하여 소량의 차량 통합을 위해 작은 크기를 활용합니다.

공중 및 우주의 Lidar :UAV 및 위성의 엄격한 무게와 전력 제약은 마이크로 칩 레이저의 작은 크기와 고효율을 산림 캐노피 매핑 및 행성 탐사와 같은 응용 프로그램에 선택하는 기술을 만듭니다.

산업 및 로봇 공학 LIDAR :내비게이션 및 장애물 회피를 위해 자동화 된 가이드 차량 (AGV) 및 품질 관리를위한 3D 프로파일 링 시스템에 사용됩니다. 그들의 견고성은 까다로운 공장 환경에서 신뢰할 수있는 운영을 보장합니다.

소비자 전자 장치 :마이크로 칩 레이저의 지속적인 소형화로 인해 스마트 폰, AR/VR 헤드셋 및 얼굴 인식, 제스처 제어 및 3D 객체 스캔과 같은 애플리케이션을위한 스마트 홈 장치에 통합을위한 주요 후보가됩니다.

4. 기술적 과제와 미래 추세

4.1 일반적인 기술적 과제

비용:정밀 제조, 크리스탈 재료 및 포장재는 현재 Edge - 방출 레이저 (Eels)와 같은 높은 - 볼륨 대안보다 비싸게 만듭니다. 비용 절감은 대량 채택의 핵심입니다.

전력 스케일링 :단일 이미 터의 출력 전력은 제한적입니다. 더 높은 전력으로 스케일링하려면 레이저 어레이 또는 마스터 오실레이터 전원 증폭기 (MOPA) 구성이 필요하므로 복잡성이 추가됩니다.

파장 다각화 :1.06 μm는 일반적이지만, 눈 - 안전 스펙트럼 영역 (1.5 μm 및 2 μm)은 많은 공개 - 응용 프로그램에 중요합니다. 이 파장에서 높은 - 성능 마이크로 칩 레이저 개발은 활성 R & D 영역으로 남아 있습니다.

- 칩 통합에서 시스템 -레이저, 스캐너 (예 : MEMS), 검출기 및 전자 장치를 단일 광자 통합 회로 (PIC)에 완전히 통합하면 상당한 제조 및 포장 문제가 발생합니다.

4.2 미래의 개발 동향

칩 - 스케일 대량 생산 :반도체 제조 기술을 활용하여 웨이퍼에서 마이크로 칩 레이저를 생성하여 비용을 크게 줄이고 제조 수율 및 일관성을 향상시킵니다.

파장 확장 :수중 LIDAR 또는 대기 감지와 같은 특정 응용 분야에 맞게 조정 된 가시적에서 중간 - 적외선에 이르기까지 더 넓은 스펙트럼을 커버하기위한 새로운 게인 재료의 개발.

지능적이고 기능적인 통합 :모니터링, 진단 및 스마트 드라이버는 성능과 신뢰성을 높이기 위해 레이저 패키지로 직접 회로를 포함시킵니다.

새로운 재료 및 구조 :통합 변조기 및 양자점 재료에 대한 얇은 - 필름 리튬 니오 베이트 (TFLN)와 같은 새로운 게인 매체의 탐색은 성능과 기능의 경계를 넓 힙니다.

5. 결론과 전망

요약하면, 마이크로 칩 레이저는 현대적인 LIDAR 시스템의 핵심 요구를 직접 해결하는 성능, 크기 및 견고성의 강력한 조화를 제공합니다. 그들의 우수한 빔 품질, 짧은 펄스의 높은 피크 파워 및 모 놀리 식 내구성은 이들을 더 높은 성능과 광범위한 상업화로 향상시키기위한 초석 기술로 배치합니다.

앞으로 제조 규모와 비용이 감소함에 따라 마이크로 칩 레이저는 전문화 된 높은 - 최종 시스템에서 질량 - 시장 제품의 유비쿼터스 구성 요소로 전환 될 것으로 예상됩니다. 그들은 미래의 지능형 인식 시스템의 "밝은 눈"이 될 것이며, 내일의 자율적이고, 상호 연결되어 있으며, 디지털 방식으로 - 매핑 된 중요한 감지 기능을 제공합니다.

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