高能量亚纳秒全固态激光器在机载和星载激光雷达中的应用

摘要：机载和星载激光雷达可以精确、快速的获取大范围内地面、大气、太空以及海底的三维空间信息，发展前景十分广阔。相对于车载等近距离的激光雷达，机载和星载激光雷达由于测试距离远，测试范围大，对激光光源有着更高的要求。本文介绍了机载和星载等远距离激光雷达对激光光源的具体要求，不同激光参数对雷达测试结果的影响。同时介绍了高能量亚纳秒全固态激光器在机载和星载激光雷达中的应用。

机载和星载激光雷达可以精确、快速的获取大范围内地面、大气、太空以及海底的三维空间信息，发展前景十分广阔。相对于车载等近距离的激光雷达，机载和星载激光雷达由于测试距离远，测试范围大，对激光光源有着更高的要求。涉及到的主要激光参数包括：波长，单脉冲能量，脉宽宽度，光束质量，以及激光器的体积，功耗，环境适应性，可靠性等。

激光波长主要与激光雷达的测试环境有关，一般测试地面、大气和太空环境时，最长用的激光波长是1064nm，其次1.5um的激光由于属于人眼安全激光，在激光雷达中的应用也越来越多。与相同参数的1064nm激光相比，1.5um激光成本要高，同时获取相同激光参数的技术难度要大。对于应用于海底的激光雷达，短波长激光在海水中的穿透能力更强，因此532nm激光是更好的选择。

532nm激光雷达测试的近海岸线海底分布图

光束质量、发散角主要影响激光雷达横向分辨率，脉冲能量主要影响雷达系统测量的最远距离。重复频率主要影响雷达的扫描速度和获取数据量大小，进而影响测量速度。脉冲宽度主要影响雷达的纵向读取精度。除了脉宽宽度以外，激光脉冲的时间抖动(time jitter)也会对雷达的纵向读取精度产生重大影响。激光器的体积和功耗会影响装载便携度和通用性。这些激光参数纠缠在一起，相互制约，同时对激光器的成本有着重要的影响。其中时间抖动(time jitter)是一个经常被忽略的参数，因此我们对time jitter在激光雷达中的影响作一下具体介绍。

机载飞行时间测量

在机载飞行时间测量中，脉冲激光用来测量固定或者移动目标的距离，将一个脉冲光朝着选定的目标发射之后，用一个光学探测器收集表面反射/散射的光子信号，收集到光子信号之后，内部电路开始计算从发射脉冲到收集到光子的时间差。

光在空气中的传播速度大概是3x10⁸m/s，那么如果用一个3ns的激光脉冲来估算，此时获得的线性空间分辨率r约为：

r = 3x10⁸m/s x3 x 10^-9s = 0.9m

如果激光发射和测量通过同一个触发信号来计算，jitter会引入的误差距离：

De = ±c(speed of light) x Tj/2

c为光速，Tj为timing jitter

如果假设这个Tj 为1ns，那么按照上述公式，测量误差大概在±15cm左右。对于某些应用，在这个分辨率下，这么大的误差是不能接受的。如果我们能将time Jitter降到±200ps，或者更小。那么测量误差经过计算可以降低到3cm甚至更低。这个结果可以大大提供测量精度。

早期的远距离激光雷达主要采用闪光灯泵浦的固体激光器，单脉冲能量一般在几十mJ量级，重频几十Hz，脉宽10ns左右。由于这种灯泵激光器，需要水冷，体积大，功耗大，可靠性差，同时光束质量差，上述缺点严重制约了其在机载和星载激光雷达中的应用。高能量亚纳秒全固态激光器，作为一种二极管泵浦的激光光源，同时具备高光束质量，高能量，窄脉宽，体积小，可靠性高等多个特点，成为机载和星载等远距离测试的激光雷达的首选光源。研制这种高能量亚纳秒全固态激光器一般有两种技术方案：1，被动调Q的微片激光器，2，主动调Q全固态激光器。

立陶宛Standa公司亚纳秒微片激光器    

   
立陶宛Optogama公司微片激光器

作为一种亚纳秒激光光源，被动调Q的微片激光主要优势是结构紧凑，成本低，同时易于实现单纵模输出。目前已被应用于LIBS光谱，非线性光学等领域。但是被动调Q的微片激光器时间抖动(time jitter)很大，一般在us量级。同时，不易实现高能量输出。目前市面上的被动调Q的微片激光器，最高能量一般在1mJ左右，而且是在低重频下实现的。因此不太适合应用于激光雷达系统中。

主动调Q 亚纳秒全固态激光器采用电光调Q技术，可以实现高能量的亚纳秒激光输出。由于其采用了微型主动调Q器件，其体积和微片激光器接近。更重要的是主动调Q的亚纳秒全固态激光器不仅可以实现高能量、高重频的激光输出，而且具备非常小的time jitter，非常适用于机载和星载等远距离激光雷达。

意大利老牌激光器厂商BrightSolutions主打这类激光器，脉冲宽度可实现300ps-4ns，单脉冲能量高达4mJ，重复频率可达100kHz。采用MOPA结构，平均功率可以提高到100W，单脉冲能量可以达到2.5mJ@40kHz。

BrightSolution Wedge系列激光器

BrightSolutions公司的Wedge系列激光器同时具备多项突出的特点，非常适合作为机载和星载激光雷达。首先Wedge系列激光器，兼具高能量和高重频，单脉冲能量达到4mJ@1kHz, 40uJ@100kHz. 脉宽窄，一般情况下脉宽小于1.5ns，最小可以达到400ps. 另外，Wedge具备非常小的time jitter，最低可以小于100ps。同时，Wedge系列激光器采用风冷设计，结构非常紧凑，可靠性非常高，满足太空等苛刻的环境使用。

除了1064nm激光输出外，Wedge系列激光器还提供1570nm/532nm/355nm/266nm等多种波长输出。为了方便各类不同应用客户的使用要求，BrightSolutions还提供了丰富可选择项，比如：扩束，准直镜；光纤耦合输出；Low jitter option; 可拓展工作温度；脉冲能量可调；IP68封装；28VDC输入；圆偏振；远程控制器等选项。

在Wedge XF系列基础上，增加一级MOPA放大，便是BrightSolutions的另一款明星产品Vento系列激光器。Vento1064平均功率达到100W，脉冲宽度仅有400ps，532nm最大输出功率达到50W。

Brightsolutions的亚纳秒高能量全固态激光器除了可以作为机载和星载激光雷达的光源之外，还被广泛应用于硬脆材料加工，LIBS光谱，光声光谱，激光荧光光谱等领域。北京海科思锐光电仪器有限公司作为Brightsolutions公司在中国的正式授权代理商，全面负责器产品在中国的市场推广，销售和售后服务。如果您对相关激光器感兴趣，欢迎来电咨询。

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