3. 激光光源基础
激光雷达的发射光路，本质上是从“电”到“光”再到“空间光束”的能量与信息转换链。光源决定了这条链的起点：能发多长的波长、能承受多大的峰值功率、光束质量如何、调制速度多快、温度漂移多大，以及最终能否满足人眼安全限值。本节围绕四类主流光源——EEL、VCSEL、半导体泵浦光纤激光器、以及它们与波长和人眼安全的耦合关系展开。
一、核心原理：四类光源的发光机制与结构差异
EEL（边发射激光器）的谐振腔沿晶圆平面方向延伸，光从解理面侧向出射。其有源区为量子阱结构，腔长通常在数百微米到毫米量级，因此单模输出功率高、光束质量好，但发散角呈椭圆分布，快轴发散角可达 25°~40°，慢轴约 6°~12°，需要柱面镜或非球面镜进行快慢轴准直。
VCSEL（垂直腔面发射激光器）的谐振腔垂直于晶圆表面，由上下两层分布式布拉格反射镜（DBR）夹持有源区构成，光从顶部垂直出射。腔长极短（约一个波长量级），因此天然单纵模、圆形对称光束、发散角小（约 10°~20°），且可在晶圆级完成测试与二维阵列集成。缺点是单管输出功率较低，通常需要阵列化来提升总功率。
光纤激光器以掺铒或掺镱光纤作为增益介质，由半导体泵浦源（多为 9xx nm EEL）泵浦，经光纤光栅构成谐振腔，输出 1.5 μm 或 1.0 μm 波段激光。其优势是光束质量接近衍射极限、散热好、峰值功率可达千瓦级，适合长距离、高信噪比的相干或脉冲测距。
关键结论：EEL 胜在单管功率与光束质量，VCSEL 胜在阵列化、圆形光束与低成本，光纤激光器胜在高能量与远距离。选择哪一类，取决于测距体制（ToF/相干）、量程、帧率与成本约束。
二、方法流程：从需求到光源选型的四步法
- 确定测距体制与量程：直接 ToF 脉冲测距通常要求高峰值功率与窄脉宽；FMCW 相干测距则要求窄线宽与低相位噪声，优先考虑光纤激光器或外腔 EEL。
- 确定波长：905 nm 可复用低成本硅 APD/SPAD，但人眼安全限值严格；1550 nm 人眼安全余量大，可用更高峰值功率，但需 InGaAs 探测器，成本更高。
- 确定功率与光束质量：根据量程方程估算所需峰值功率，再结合发散角与接收孔径确定光源类型。VCSEL 阵列适合短距大视场，EEL 适合中距，光纤激光器适合长距。
- 校核人眼安全：按 IEC 60825-1 计算可达发射极限（AEL），确认 1 类或 3R 类，必要时增加互锁、扩散片或降低占空比。
三、案例场景：三种典型激光雷达的光源配置
| 应用场景 | 光源类型 | 波长 | 峰值功率 | 关键理由 |
|---|---|---|---|---|
| 扫地机器人避障 | VCSEL 阵列 | 905 nm | 数十瓦 | 低成本、圆形光斑、大视场 |
| 车载中距激光雷达 | EEL 阵列 | 905 nm | 数百瓦 | 硅探测器兼容、光束质量好 |
| 长距高精度测绘 | 光纤激光器 | 1550 nm | 千瓦级 | 人眼安全余量大、近衍射极限 |
四、误区与复盘：波长选择中最容易踩的坑
误区一：认为 1550 nm 绝对安全。1550 nm 的损伤阈值高，是因为角膜和晶状体吸收了大量能量，但若光束被聚焦或长时间直视，仍可能造成角膜灼伤。安全等级必须按标准计算，不能凭波长下结论。
误区二：只看平均功率，忽略峰值功率与脉宽。人眼安全限值与脉冲宽度、重复频率强相关。窄脉宽高峰值功率的脉冲，其 AEL 与连续波完全不同，必须按脉冲串规则修正。
误区三：VCSEL 阵列直接当单管用。阵列中各发光单元存在热耦合与电流拥挤，实际发散角和光谱会随占空比变化，准直设计必须按阵列整体而非单管来算。
复盘建议：在光源选型评审时，固定输出一张“波长—功率—安全等级—探测器—成本”五列对照表，并附上 IEC 60825-1 的计算过程与假设条件。这样可以在早期发现安全余量不足或探测器不匹配的问题，避免后期返工。
# 人眼安全快速估算示例（905 nm，脉冲 ToF）
# 假设：脉宽 tp = 5 ns，重复频率 f = 100 kHz，发散角 0.5 mrad
# 按 IEC 60825-1 脉冲串规则，先算单脉冲 AEL，再用 C5 修正
tp = 5e-9 # 脉宽 (s)
f = 100e3 # 重复频率 (Hz)
divergence = 0.5e-3 # 发散角 (rad)
# 单脉冲 AEL 近似（905 nm，Class 1）
AEL_single = 2e-7 # 单位：J，需按标准表格与 C4/C5 修正
# 平均功率限值
P_avg_limit = AEL_single * f
print("平均功率限值约 %.3f W" % P_avg_limit)
# 实际设计需保留 2~3 倍安全余量光源是激光雷达发射链的“心脏”，其类型、波长与功率选择直接决定了整机的量程、成本与合规性。理解 EEL、VCSEL 与光纤激光器在结构、光束和功率上的差异，并把波长与人眼安全限值放在同一张设计表中权衡，才能为后续的准直、扫描与接收链路打下可靠基础。