激光雷达的基本技术

第二章 激光雷达的基本技术

如前所述，激光雷达的种类繁多、结构各异，其整机形式及体积重量也很不相同。为说明这一特点，图2.1~2.4给出了几种典型的激光雷达外观图。其中，图2.1~2.2为两种大型的激光雷达。而图2.3~2.4则为两种小型激光雷达。尽管如此，对所有的激光雷达而言，有一点是共同的，它们都是

图2.1 NASA 平流层气溶胶Lidar 照片

图2.2 欧共体

ALOMAR Lidar

图

2.3 IAP RMR 激光雷达

图2.4 便携式激光雷达

由发射、接收和信号处理三个主要部分组成。并且再分下去，这三部分又都由激光器、发射光学、接收光学、窄带滤光、通道分光、光电探测器和信号处理电路（通常包括微型计算机）等几个部件组成。此外，在由部件组成激光雷达时，都会涉及发射光束和接收视场的匹配，联调或同步扫描等技术问题。也就是说，在不同的激光雷达中都需要采用一些共同的部件或整机技术。因此，本书在讲述各种具体类型激光雷达之前，先对这些共同的激光雷达部件技术作简要的介绍。

2.1 发射系统技术

2.1.1 发射激光器

激光器用来产生发射激光束，故常称用于激光雷达的激光器为发射激光器。发射激光器是激光雷达中最为重要的技术部件，它的质量往往在很大程度上决定了激光器的探测性能。对用于激光雷达的激光器，通常有如下要求：

1．有较大的输出功率，且大多数都需要工作于脉冲方式，因此相应的要求是脉冲能量大、脉冲重复频率高。

2．激光的光束质量好，特别是要求光束的发散度要小、指向性要好。

3．对于工作于差分吸收或荧光机制的激光雷达，还要求激光输出波长处于特定光谱范围或要求其可以调谐。

4．通常还要求激光器体积、功耗小，性能稳定可靠等，以满足激光雷达多种运载方式的要求。

能基本上满足上述要求的激光器有很多种，范围涵盖了以固体、气体、液体和半导体为工作物质的各种激光器。但是，真正经常用于激光雷达的激光器实际上有少量几种，现分别简介如下：1．Nd:YAG激光器

Nd:YAG激光器是一种典型的固体工作物质的激光器。由于它多方面的优良性能，在激光雷达中获得最为广泛的应用。

Nd:YAG激光器的原理结构示于图2.5。它主要由激光工作物质Nd:YAG棒，由M1和M2两块腔镜组成的激光谐振腔和闪光灯及其电源三个主要部分组成。至于图中的Q开关，它是为了形成窄脉冲输出激光用的，从原理上讲，并不属于Nd:YAG激光器的工作物质、谐振腔和激励源三个必要部分。

图2.5 Nd:YAG激光器

Nd:YAG 棒是在钇铝石榴石(YAG)中掺入激光物质（Nd 3+,钕离子）

，在闪光灯发光的激励下，可造成棒中Nd 3+离子的L 1和L 2能级间的粒子数反转（如图2.6所示），在光学谐振腔的作用下，形成粒子反转能级间的受激发射，从腔镜之一（M 2）输出激光能量，其波长为1.06μm ，处于近红外波段。

由于Nd 3+离子的四能级激光产生机制，使其粒子数反转的效率高、激光阈值低，因此Nd:YAG 激光器可工作于连续波状态，也可工作于脉冲状态，激光雷

达多使用后者。对于脉冲工作的Nd:YAG 激光器，其激励闪光灯也需工作在脉冲状态。由于闪光灯激励光脉冲的宽度较宽，使相应的光脉冲的宽度也较宽（微秒以上），称之为长脉冲激光。这种长脉冲激光不符合激光雷达高峰值输出功率和高空间分辨率的要求，因此需要采用图2.5中的Q 开关来压窄其脉冲宽度。

Q 开关技术又称为调Q 技术，是产生纳秒（ns ）级窄脉冲激光常用的技术（另一种常用于产生ps 级窄激光脉冲的技术是锁模技术）。如图2.7所示，Q 开关由一块光电晶体和偏振片组成。其工作原理如下：平时，Q 开关处于对激光不透明的状态，在激光腔中形成一个大的损耗，相当于开关关闭，激光腔的Q 值很低，激

光振荡不能形成；当闪光灯脉冲将Nd:YAG 中的Nd3+离子激发到处于最佳粒子数反转状态时，突然将Q 开关打开，使其损耗变低，激光腔的Q 值突然增高，从而形成一个极窄的激光脉冲输出。Q 开关对激光腔Q 值的调节通常利用晶体的电光特性来实现。通过在电光晶体上突然改变外加电压的方法，可使Q 开关从最大损耗状态变为最小损耗状态。显然，在Q 开关上外加电压改变的时间，必须与脉冲闪光灯的泵浦时间必须严

格协调，才能获得最佳

L 2L 3

L 4

L 1图2.6 Nd:YAG 四能级系统

图2.7 Q 开关原理

Nd:YAG 图2.8 聚光腔结构图

的窄脉冲产生效率。

Nd:YAG激光器在结构上的一个特点是除上述的激光谐振腔外还采用一个聚光腔。激光谐振腔的作用是使处于粒子数反转状态的Nd:YAG棒受激发射产生激光，而聚光腔的作用则是最大限度地将闪光灯发出的光会聚到Nd:YAG棒上，以提高产生粒子数反转的效率。聚光腔的结构示于图2.8。其腔体通常为一个椭圆柱面，闪光灯和Nd:YAG棒分别处在椭圆柱的两条焦轴上，而腔体内表面则为高漫反射涂层。由于闪光灯的泵光能量通常很高，由此产生的热量必须由聚光腔内水冷系统带走。对于大功率Nd:YAG激光器而言，水冷系统工作状态不仅关系到激光系统的安全运行，对激光器输出光束质量也会有很大的影响。

如前所述，Nd:YAG激光器输出的激光波长为1.064μm的近红外激光，通常称其为基波光。由于脉冲Nd:YAG激光器的峰值功率很高，光束质量很好，容易通过非线性倍频、合频等过程高效率地实现频率变换。获得多种频率的方法如图2.9所示。Nd:YAG激光器激光雷达中，常用的激光波长为532nm，1.064μm基波和355nm三次谐波也有一定的应用，266nm的四次谐波则用得较少。

图2.9 获得多种频率的方法

由于可以采用振荡加放大的组合技术，所以Nd:YAG激光器的功率范围相差很大，但对闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器而言，其脉冲重复频率并不高，通常为10～50Hz 范围内。图2.10和表2.1给出了几种不同类型的Nd:YAG激光器的外形和主要技术指标。这些激光器在各种激光雷达中都被广泛应用。