三維成像激光雷達應用的亞納秒激光器研究進展

位超杰，閆仁鵬*，李旭東，孟祥熙，劉欣陽

（1.哈爾濱工業大學 可調諧（氣體）激光技術國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150080；2.蒙古正元有限責任公司，山東 濟南250101；3.山東正元數字城市建設有限公司，山東 煙臺264000）

1 引 言

激光雷達（Light detection and ranging，Li?dar），即激光探測及測距技術，通過發射激光脈沖、接收回波信號來探測目標的位置、速度和組分等信息。激光器持續向探測空間發射激光脈沖，激光光束經過目標散射的回波被接收望遠鏡接收，通過分析飛行時間來確定激光雷達到目標之間的距離［1-2］。測量距離的精度與發射激光脈沖的時間寬度有關，對于幾十公里的遠距離探測，亞納秒脈沖的測距精度可達到厘米級。隨著蓋革模式下的雪崩光電二極管（Avalanche Pho?toDiode，APD）技術和陣列接收的推帚式多元陣列探測技術逐漸成熟［2-5］，采用亞納秒激光脈沖的三維激光雷達系統可以實現高速運動目標的高精度三維成像。2018年，美國宇航局成功發射了“冰、云和陸地高程”2號衛星（Ice，Cloud，and Land Elevation Satellite-2，ICESat-2），用于測量極地冰面、地表三維信息以及植被信息。該衛星的載荷為單光子探測體制的微脈沖激光雷達，利用10 kHz亞納秒激光實現了500 km軌道高度條件下厘米量級的測距精度［6］。與此同時，為滿足三維激光雷達的應用需求，亞納秒激光光源也得到了巨大發展。

鎖模技術通過控制激光諧振腔振蕩縱模間的相位關系，可以實現超短脈沖激光輸出，脈沖寬度與工作物質特性有關，對于固態晶體或染料激光介質，可以實現皮秒或飛秒量級的脈沖激光輸出?；诔堂}沖光源的激光雷達可以實現毫米量級的測距精度，但是其工作重復頻率由諧振腔長度決定，通常在兆赫茲量級，需要外加調制器進行脈沖選取才能實現千赫茲、窄脈寬激光，系統相對復雜，穩定性和可靠性仍需要改善，限制了超短脈沖光源在lidar等領域的應用［7］。

調Q技術通過控制激光諧振腔內的品質因數（Q值），將反轉粒子數在短時間內釋放，輸出納秒量級窄脈沖寬度的激光輸出，在激光雷達和激光加工等領域具有重要的應用價值［8-9］。本文基于調Q工作的基本理論，對比討論不同方法的技術特點，結合激光雷達的應用需求對亞納秒固體激光器的發展進行了展望。

2 窄脈寬激光器基本原理

根 據J.J.Zayhowski［10-11］等 人 的 理 論，假 定 連續泵浦條件下，忽略脈沖建立過程中的自發輻射，調Q激光脈沖寬度的表達式為：

式中：Sp是表征脈沖波形的數字，根據經驗公式可得Sp=0.86；N0為開始產生脈沖時的反轉粒子數密度；Nt閾值粒子數密度；η為量子提取效率；lr為腔內往返光學長度；c為真空中光速；σ為受激發射截面；γ為諧振腔損耗系數。脈寬tw隨1/γ的關系如圖1所示，歸一化脈沖寬度隨腔損耗系數的增大而先減后增，存在最佳的腔損耗系數，使得脈寬tw最小。歸一化脈寬下降主要是跟受激輻射過程有關，腔損耗系數過大，不利于上能級粒子的快速躍遷，造成脈沖展寬；隨著腔損耗的減小，腔內光子的振蕩次數增加，歸一化脈寬也會逐漸增加。

圖1 歸一化脈沖寬度隨諧振腔耦合系數的變化關系Fig.1 Pulsewidth as a function of the inverse cavity out?put coupling

將式（1）對γo求導，得到最窄脈沖寬度的表達式：

式中：γo為輸出耦合損失系數，γp=γ－γo為腔內損耗系數；n為增益介質折射率。N0的表達式如下：

式中：Pabs為晶體吸收的泵浦功率；νp為泵浦波長；h為普朗克常數；rm為泵浦光場半徑；tp為泵浦時間；τ為粒子上能級壽命。

由式（2）和（3）可以看出，調Q激光器為獲得窄脈沖寬度的激光輸出，與激光晶體的有效儲能（στ）、泵浦模場體積和諧振腔有效長度等因素有關。此外，實際應用中脈沖激光器輸出脈沖寬度還與調Q器件的開關速度有關。對于三維激光雷達系統中常用的Nd∶YAG激光器，輸出脈沖寬度最窄可以達到5 ns左右［12-13］。因此，可以選擇儲能大的激光晶體［14-15］、開關時間短的調Q器件［16］，還可以通過微腔結構、提高儲能等方式實現亞納秒脈沖激光。

3 亞納秒激光器研究進展

3.1 被動調Q微片結構亞納秒激光器

微片激光器可以兼顧窄脈沖寬度和高儲能的優點，其結構如圖2所示。與主動調Q技術相比，被動調Q技術不需要外界控制或驅動，有效提高了激光器的緊湊性和可靠性。被動調Q技術依靠可飽和吸收體的非線性吸收特性調制諧振腔的品質因數，在諧振腔內形成粒子數反轉后瞬時釋放，產生大能量、窄脈寬的激光脈沖。通過控制諧振腔長度，被動調Q微片激光器可以輸出ps~ns的脈沖激光，脈沖能量最大可以達到幾百毫焦，峰值功率可以達到兆瓦量級。此外，被動調Q微片激光器還具有能量和脈沖寬度不受泵浦源波動影響，易于實現單頻輸出等特點。以上這些優點使被動調Q微片激光器成為三維成像激光雷達發展的重要支撐。

圖2 被動調Q微片激光器結構示意圖［17］Fig.2 Simple variation of passively Q-switched micro?chip laser［17］

美國麻省理工學院林肯實驗室的Zayhowski等人對半導體激光器（Laser Diode，LD）泵浦微片激光器進行了大量的研究［18］。圖3為微沖寬度約為200 ps被動調Q微片激光器及其放大系統。重復頻率為10 kHz時，最大脈沖能量最大達到210μJ，重復頻率小于2.5 kHz時，最大脈沖能量為500μJ［19-20］?？紤]到微片激光器的亞納秒激光器具有高可靠性和穩定性的特點，美國宇航局采用微片激光器作為光源進行地球-衛星間測距，測距精度達到厘米量級［21-22］。

圖3 被動調Q微片激光器及其放大系統［19］Fig.3 Photograph of amplified passively Q-switched mi?crochip laser system［19］

由于微片激光器體積的限制，振蕩級輸出能量小，如何在提升放大能力的同時有效控制放大級的熱效應成為不可避免的問題。2009年，意大利帕維亞大學的Agnesi等人報道了10 kHz單頻亞納秒激光器，其結構如圖4所示［23］。振蕩級選用Nd∶YAG/Cr4+∶YAG復合晶體作為被動調Q元件，在約7 mm長的平凹諧振腔輸出了單脈沖能量在40~60μJ，脈寬約為500 ps的激光，重復頻率在1~10 kHz可調。經過LD側面抽運Nd∶YVO4板條激光放大器后，激光脈寬變為577 ps、能量增加到545μJ，系統的電光效率達到了13%。該激光器放大級采用側面泵浦掠入射板條的結構，能有效減小介質內部的熱致波前畸變與熱應力。

圖4 短腔被動調Q脈沖激光器及雙程放大激光器［23］Fig.4 Short-cavity passively Q-switched laser and dualpath amplifier laser［23］

同樣地，由于表面積大、散熱能力強的優勢，單晶光纖、平片波導等取代塊晶體作為放大級增益介質的方案也成為研究重點。2011年，法國巴黎十一大學的Martial等人報道了基于Nd∶YAG單晶光纖的亞納秒振蕩+放大（Master Oscilla?tor Power Amplifier，MOPA）激 光 的 輸 出 性能［24］。使用LD泵浦Nd∶YAG單晶光纖，對脈寬470 ps、重頻1 kHz、能量80μJ的種子激光進行雙程放大，其結構如圖5所示。在泵浦脈沖能量為7.13 mJ的條件下，獲得了能量為2.61 mJ、峰值功率為5.6 MW的脈沖激光，放大后的激光脈沖寬度與光束質量基本不變。

圖5 基于單晶光纖放大級的亞納秒MOPA［24］Fig.5 Sub-nanosecond MOPA laser with a single-crystal fiber amplifier［24］

星載激光高度計利用亞納秒激光脈沖，可獲取精細的地面高程信息［25］。2012年，美國宇航局的Yu等人開發出一種高效率的Yb∶YAG被動調Q微片MOPA激光器，以支持激光雷達表面地形（Lidar Surface Topography，LIST）探測任務［26］。激光器結構如圖6所示，其主振蕩器以Cr4+∶YAG作為可飽和吸收體，采用窄線寬體布拉格光柵（Volume Bragg Grating，VBG）作為輸出耦合器，在10 kHz的重復頻率下，激光的單脈沖能量為100μJ，脈沖寬度為820 ps，中心波長為1 030.2 nm，光譜寬度為17 pm。其放大級采用平面波導技術，在90 W的泵浦條件下，輸出單脈沖能量增加到2.2 mJ，脈寬基本不變，MOPA激光系統的電光效率接近11%。

圖6 Yb∶YAG MOPA激光系統結構示意圖［26］Fig.6 Yb∶YAG MOPA laser Transmitter［26］

2020年，北京工業大學的杜鑫彪等人介紹了一種LD泵浦Nd∶YAG/Cr4+∶YAG被動調Q激光器。諧振腔長約8 mm，輸出重復頻率為1 kHz、脈沖寬度810 ps、單脈沖能量為106μJ、光束質量因子為1.5的種子光，經雙通放大器后，獲得了平均功率達10 W，脈寬816 ps，線寬39 pm，光束質量因子M2小于1.8的激光輸出［27］。

3.2 電光調Q亞納秒激光器

與被動調Q技術相比，主動調Q技術可以利用調制元件實現對脈沖頻率的主動控制。近年來，隨著電光調Q等光學器件的技術發展，基于LD泵浦電光調Q的亞納秒激光器也得到了巨大發展［28］。

2012年，北京工業大學的李強等人介紹了一種利用LD端面泵浦Nd∶YVO4晶體電光調Q的短腔激光器，其結構如圖7所示［29］。晶體按布儒斯特角切割，將諧振腔長壓縮為20 mm，采用KDP作為調Q元件，當泵浦功率為870 mW、脈寬130μs、輸出鏡透過率為70%時，輸出脈寬小于600 ps、單脈沖能量大于0.42 mJ以及光束質量為1.9的100 Hz激光脈沖，不穩定度小于3%。該激光器與被動調Q激光器類似，具有結構緊湊的特點，但由于電光晶體的壓電振鈴效應，難以實現高重復頻率工作。較短的介質長度也限制了激光器的能量和效率。

圖7 電光調Q Nd∶YVO 4激光器裝置圖［29］Fig.7 Schematic diagram of electro-optically Q-switched Nd∶YVO 4 laser［29］

2013年，美國Fibertek公司的Edwards等人報道了ICESat-2衛星載荷的光源特性，光源結構如圖8所示［30］。激光振蕩級采用879 nm泵浦電光調QNd∶YVO4晶體，振蕩級輸出脈沖激光經過一級預放大和一級主放大，采用2塊Nd∶YVO4晶體作為主放大，倍頻采用非線性系數較高的LBO晶體，實現了滿足星載激光高度計要求的窄脈寬亞納秒綠光激光器。重復頻率為10 kHz，脈沖寬度小于1.5 ns，最大脈沖能量為900μJ，光束質量小于1.6，線性偏振度為100∶1。該激光器的振蕩級采用L型折疊腔以消除未吸收泵浦光對調Q晶體穩定性的影響，并且利用VBG作為輸出鏡實現了單頻激光輸出和頻率調諧。2018年，美國宇航局發射的ICESat 2號衛星的三維測距激光雷達就是采用該系統作為光源。

圖8 ICESat-2激光光源結構示意圖［30］Fig.8 Optical layout for ICESat-2 laser transmitter［30］

2018年，南京先進激光技術研究院的陸俊等人提出了一種高效率、結構緊湊的雙波長激光器，如圖9所示［31］。該激光器基于MOPA方案，主振蕩級采用LD端面泵浦電光調QNd∶YVO4激光器、諧振腔為平凸腔，輸出脈沖能量為400 μJ、脈沖寬度為1.1 ns的1 064 nm基橫模激光輸出，經過LD泵浦Nd∶YVO4級聯放大器，脈沖能量增至2.72 mJ，脈寬變為1.03 ns。之后又采用LBO晶體對種子光進行倍頻，獲得了單脈沖能量為1.54 mJ、脈寬小于910 ps、峰值功率為1.7 MW的532 nm綠光激光輸出。類似地，2020年哈爾濱工業大學周益平等報道了一種主振蕩+預防大+二級放大的MOPA結構激光器，在500 Hz的重復頻率下，輸出激光脈寬730 ps［32］。該激光器種子光能量較小，經預防級后能量達到400 μJ，能充分提取側泵模塊放大級能量，得到47.1 mJ的脈沖激光。

圖9 Nd∶YVO4電光調Q、級聯放大激光器［31］Fig.9 Schematic diagram of Nd∶YVO4 electro-optic Qswitched and cascade amplified laser［31］

圖10 亞納秒MOPA結構激光系統［32］Fig.10 Experimental setup of sub-nanosecond MOPA laser system［32］

3.3 倒空腔結構亞納秒激光器

根據脈沖建立過程的不同，調Q又分為脈沖反射式調Q（Pulse Reflection Mode，PRM）和脈沖 投 射 式 調Q（Pulse Transmission Mode，PTM）。對于常見的PRM調Q方法，激光器的儲能轉換成光子能量和諧振腔釋放能量的過程同時發生，受到增益強度等因素的影響，輸出脈寬通常受到激光器的重復頻率和泵浦功率等因素的影響而展寬。腔倒空方法（PTM）將反轉粒子儲能轉換成光子和激光輸出過程分離，脈沖輸出過程的持續時間為光子往返時間，其理論輸出脈寬僅與諧振腔的光學長度有關，遠小于典型PRM調Q系統輸出，而且不受工作重復頻率和泵浦功率的影響［33-34］。

2019年，哈爾濱工業大學武文濤等人［35］報道了一種電光調QNd∶YAG亞納秒激光器，系統結構如圖11所示。激光器振蕩級是LD端面泵浦主動電光腔倒空調QNd∶YAG激光器，諧振腔為折疊腔，幾何長度約為40 mm，普克爾盒的開關時間約為8 ns。振蕩級輸出為1 k Hz，900 ps，1.9 mJ的激光脈沖。經過三級側面泵浦Nd∶YAG激光雙程放大，單脈沖能量放大到29.8 mJ、峰值功率為33.1 MW，利用該激光實現了等離子體空氣擊穿。該激光器結合腔倒空技術高儲能以及Nd∶YAG晶體良好的熱機械性能等特點，不經放大就可以達到mJ級的高重頻脈沖，但輸出脈沖寬度主要依賴于電光Q的開關時間，對高重頻狀態工作下電光器件的穩定性提出了嚴格的要求。

圖11 腔倒空調Q的亞納秒激光器［35］Fig.11 Subnanosecond laser with cavity-dumped Q-switched［35］

3.4 無腔結構亞納秒激光器

基于對自發輻射的高增益放大，高增益激光器不需要諧振腔鏡提供的反饋也可以實現高亮度、準相干光束輸出［36］，這種激光器被稱為無鏡激光器或者弱反饋激光器。

2020年，清華大學江業文［37］等人報道了一種毫焦級亞納秒弱反饋調Q脈沖激光器。如圖12所示，它利用LD泵浦Nd∶YVO4晶體，晶體前端面鍍有0.2%@1 064 nm的反射膜提供弱反饋，一對正交RTP晶體作為調Q元件，諧振腔的光學長度為55 mm。在1 k Hz的重復頻率下，振蕩級激光的單脈沖能量達到0.26 mJ，脈沖寬度約為449.7 ps，僅為1.2倍的諧振腔往返時間。經過雙程MOPA放大，單脈沖激光能量放大到3.6 mJ左右，峰值功率為8.1 MW。由于基于自發輻射放大機制，該激光器的輸出譜線寬度約為0.18 nm。相較于傳統的調Q激光器，該方案的優點是在高增益的狀態下，輸出脈沖持續時間能接近單次往返時間的極限。

圖12 亞納秒弱反饋調Q激光器［37］Fig.12 Sub-nanosecond weak-feedback Q-switched la?ser［37］

3.5 光纖結構亞納秒激光器

光纖獨特的結構特點使其光纖光器具有散熱效率高、光束質量好、結構緊湊和效率高等優點，在高功率激光、超短脈沖激光等方面得到了廣泛的應用［38-40］。但波導結構的高增益特性使光纖激光器的輸出特性具有非線性，此外，較低的損傷閾值也限制了光纖結構激光器的脈沖輸出能量。

2011年，浙江大學劉偉等報道了一種被動式亞納秒脈沖光纖激光器［41］，如圖13所示，實現了輸出脈寬小于1 ns、重復頻率隨抽運功率線性增長的寬譜激光輸出。該方案的特點是通過在Yb光纖和光纖光柵組成的諧振腔中直接熔接一段Bi/Cr共摻光纖，既起到類似于飽和吸收體的作用，又能提供瑞利散射和受激布里淵散射的反饋作用。但由于受激布里淵散射的影響，脈沖波形并不光滑，仍有部分能量從尖峰轉移到旁邊的小脈沖中。

圖13 被動式亞納秒脈沖Yb光纖激光器［41］Fig.13 Yb fiber laser with passively generated sub-nano?second pulse［41］

2017年，徐成陽等報道了一種基于WS2可飽和吸收體的窄線寬脈沖光纖激光器［42］，獲得了脈沖寬度為171 ps的窄線寬超短脈沖輸出。但這種依賴于腔長和光纖種類的調節方式來獲得窄脈沖激光的方法容易造成激光器結構復雜。近年來隨著半導體技術的發展，調制半導體激光器驅動電路的電脈沖信號，可以得到亞納秒脈沖寬度、脈沖波形和重復頻率可調的激光脈沖，但這種半導體激光器的輸出功率很小，需要多級放大器才能達到應用要求，另外，半導體種子光譜帶較寬，在光纖中選頻成了新的需求。2020年，陳欣等報道了一種摻鐿光纖MOPA激光器泵浦的綠光激光器［43］，如圖14所示，在500 kHz頻率下輸出450 ps的激光脈沖。該激光器由可調諧電路驅動的半導體激光器、兩級前置放大器和主放大器組成。該激光器的優點是在前置放大器中選擇了稍長的增益光纖，增益峰紅移到1 064 nm，通過重吸收降低了放大自發輻射，凈化了頻譜，同時又利用吸收系數大的高摻雜YDF將基本光纖長度縮短至1.5 m，消除了導致光譜展寬的自相位調制，最終獲得了0.04 nm帶寬的激光脈沖。

圖14 高重復頻率亞納秒窄帶光纖激光器［43］Fig.14 Narrowband fiber laser with high repetition fre?quency and sub-nanosecond pulse［43］

3.6 不同結構亞納秒激光器性能對比

通過對比國內外亞納秒激光器的研究進展可知，基于被動調Q微片結構的亞納秒激光器發展較為成熟，具有結構緊湊、可靠性高和易實現單模輸出等特點，并已應用在機載、星載等激光雷達系統中［44-45］。由于被動調Q的工作特性，其工作重復頻率與諧振腔的增益特性有關，需要通過嚴格的參量設計才能實現重頻控制，輸出特性易受工作條件變化的影響。此外，工作介質以各向同性的Nd∶YAG和Yb∶YAG晶體為主，效率相對較低。

與被動調Q技術相比，主動調Q技術可實現精確時序控制，對于激光雷達應用至關重要，而且采用具有大發射截面和偏振輸出特性的Nd∶YVO4晶體作為激光介質。但是需要額外插入法珀或采用VBG作為輸出鏡，才能實現窄線寬單頻激光，對Q開關的響應時間也有較高的要求，系統相對復雜。

無腔結構激光器存在的線寬大、光纖結構激光器存在的峰值功率低等問題都限制了系統在激光雷達領域的進一步應用。

此外，增益介質體積的限制使亞納秒激光振蕩器的輸出能量普遍較低，需要采用MOPA結構提升能量，但由于脈沖寬度接近激光晶體熱弛豫時間［46］，需要對脈沖激光放大器進行優化以獲得高效率、低畸變的亞納秒激光輸出，側面泵浦、雙端泵浦和波導等不同結構的激光放大器被用于亞納秒激光放大。

4 結論與展望

單光子探測技術的發展將激光測距系統的靈敏度提高到了單光子量級，突破了傳統線性光電探測所能達到的極限距離，激光雷達向著深空、高精度、三維立體成像的方向發展，研究高重頻亞納秒的全固態激光器具有重大意義。本文綜述了亞納秒激光器的工作原理和國內外研究進展，綜合近年來亞納秒激光器的發展現狀可以看出，研究重點已經由亞納秒激光的產生方法轉換到滿足應用需求的亞納秒激光系統上。未來重點發展方向：一是針對亞納秒激光放大器提取效率低的問題，采用新型單晶光纖或波導結構激光放大器，提高亞納秒激光器的整體效率［47-48］；二是采用高速電脈沖信號驅動的半導體激光器作為種子源，采用光纖和固態結構復合激光放大器［49］，避免非線性效應的影響，改善系統的緊湊性和可靠性。