三维成像激光雷达应用的亚纳秒激光器研究进展

位超杰，闫仁鹏*，李旭东，孟祥熙，刘欣阳

（1.哈尔滨工业大学 可调谐（气体）激光技术国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨150080；2.蒙古正元有限责任公司，山东 济南250101；3.山东正元数字城市建设有限公司，山东 烟台264000）

1 引 言

激光雷达（Light detection and ranging，Li⁃dar），即激光探测及测距技术，通过发射激光脉冲、接收回波信号来探测目标的位置、速度和组分等信息。激光器持续向探测空间发射激光脉冲，激光光束经过目标散射的回波被接收望远镜接收，通过分析飞行时间来确定激光雷达到目标之间的距离［1-2］。测量距离的精度与发射激光脉冲的时间宽度有关，对于几十公里的远距离探测，亚纳秒脉冲的测距精度可达到厘米级。随着盖革模式下的雪崩光电二极管（Avalanche Pho⁃toDiode，APD）技术和阵列接收的推帚式多元阵列探测技术逐渐成熟［2-5］，采用亚纳秒激光脉冲的三维激光雷达系统可以实现高速运动目标的高精度三维成像。2018年，美国宇航局成功发射了“冰、云和陆地高程”2号卫星（Ice，Cloud，and Land Elevation Satellite-2，ICESat-2），用于测量极地冰面、地表三维信息以及植被信息。该卫星的载荷为单光子探测体制的微脉冲激光雷达，利用10 kHz亚纳秒激光实现了500 km轨道高度条件下厘米量级的测距精度［6］。与此同时，为满足三维激光雷达的应用需求，亚纳秒激光光源也得到了巨大发展。

锁模技术通过控制激光谐振腔振荡纵模间的相位关系，可以实现超短脉冲激光输出，脉冲宽度与工作物质特性有关，对于固态晶体或染料激光介质，可以实现皮秒或飞秒量级的脉冲激光输出。基于超短脉冲光源的激光雷达可以实现毫米量级的测距精度，但是其工作重复频率由谐振腔长度决定，通常在兆赫兹量级，需要外加调制器进行脉冲选取才能实现千赫兹、窄脉宽激光，系统相对复杂，稳定性和可靠性仍需要改善，限制了超短脉冲光源在lidar等领域的应用［7］。

调Q技术通过控制激光谐振腔内的品质因数（Q值），将反转粒子数在短时间内释放，输出纳秒量级窄脉冲宽度的激光输出，在激光雷达和激光加工等领域具有重要的应用价值［8-9］。本文基于调Q工作的基本理论，对比讨论不同方法的技术特点，结合激光雷达的应用需求对亚纳秒固体激光器的发展进行了展望。

2 窄脉宽激光器基本原理

根 据J.J.Zayhowski［10-11］等 人 的 理 论，假 定 连续泵浦条件下，忽略脉冲建立过程中的自发辐射，调Q激光脉冲宽度的表达式为：

式中：Sp是表征脉冲波形的数字，根据经验公式可得Sp=0.86；N0为开始产生脉冲时的反转粒子数密度；Nt阈值粒子数密度；η为量子提取效率；lr为腔内往返光学长度；c为真空中光速；σ为受激发射截面；γ为谐振腔损耗系数。脉宽tw随1/γ的关系如图1所示，归一化脉冲宽度随腔损耗系数的增大而先减后增，存在最佳的腔损耗系数，使得脉宽tw最小。归一化脉宽下降主要是跟受激辐射过程有关，腔损耗系数过大，不利于上能级粒子的快速跃迁，造成脉冲展宽；随着腔损耗的减小，腔内光子的振荡次数增加，归一化脉宽也会逐渐增加。

图1 归一化脉冲宽度随谐振腔耦合系数的变化关系Fig.1 Pulsewidth as a function of the inverse cavity out⁃put coupling

将式（1）对γo求导，得到最窄脉冲宽度的表达式：

式中：γo为输出耦合损失系数，γp=γ－γo为腔内损耗系数；n为增益介质折射率。N0的表达式如下：

式中：Pabs为晶体吸收的泵浦功率；νp为泵浦波长；h为普朗克常数；rm为泵浦光场半径；tp为泵浦时间；τ为粒子上能级寿命。

由式（2）和（3）可以看出，调Q激光器为获得窄脉冲宽度的激光输出，与激光晶体的有效储能（στ）、泵浦模场体积和谐振腔有效长度等因素有关。此外，实际应用中脉冲激光器输出脉冲宽度还与调Q器件的开关速度有关。对于三维激光雷达系统中常用的Nd∶YAG激光器，输出脉冲宽度最窄可以达到5 ns左右［12-13］。因此，可以选择储能大的激光晶体［14-15］、开关时间短的调Q器件［16］，还可以通过微腔结构、提高储能等方式实现亚纳秒脉冲激光。

3 亚纳秒激光器研究进展

3.1 被动调Q微片结构亚纳秒激光器

微片激光器可以兼顾窄脉冲宽度和高储能的优点，其结构如图2所示。与主动调Q技术相比，被动调Q技术不需要外界控制或驱动，有效提高了激光器的紧凑性和可靠性。被动调Q技术依靠可饱和吸收体的非线性吸收特性调制谐振腔的品质因数，在谐振腔内形成粒子数反转后瞬时释放，产生大能量、窄脉宽的激光脉冲。通过控制谐振腔长度，被动调Q微片激光器可以输出ps~ns的脉冲激光，脉冲能量最大可以达到几百毫焦，峰值功率可以达到兆瓦量级。此外，被动调Q微片激光器还具有能量和脉冲宽度不受泵浦源波动影响，易于实现单频输出等特点。以上这些优点使被动调Q微片激光器成为三维成像激光雷达发展的重要支撑。

图2 被动调Q微片激光器结构示意图［17］Fig.2 Simple variation of passively Q-switched micro⁃chip laser［17］

美国麻省理工学院林肯实验室的Zayhowski等人对半导体激光器（Laser Diode，LD）泵浦微片激光器进行了大量的研究［18］。图3为微冲宽度约为200 ps被动调Q微片激光器及其放大系统。重复频率为10 kHz时，最大脉冲能量最大达到210μJ，重复频率小于2.5 kHz时，最大脉冲能量为500μJ［19-20］。考虑到微片激光器的亚纳秒激光器具有高可靠性和稳定性的特点，美国宇航局采用微片激光器作为光源进行地球-卫星间测距，测距精度达到厘米量级［21-22］。

图3 被动调Q微片激光器及其放大系统［19］Fig.3 Photograph of amplified passively Q-switched mi⁃crochip laser system［19］

由于微片激光器体积的限制，振荡级输出能量小，如何在提升放大能力的同时有效控制放大级的热效应成为不可避免的问题。2009年，意大利帕维亚大学的Agnesi等人报道了10 kHz单频亚纳秒激光器，其结构如图4所示［23］。振荡级选用Nd∶YAG/Cr4+∶YAG复合晶体作为被动调Q元件，在约7 mm长的平凹谐振腔输出了单脉冲能量在40~60μJ，脉宽约为500 ps的激光，重复频率在1~10 kHz可调。经过LD侧面抽运Nd∶YVO4板条激光放大器后，激光脉宽变为577 ps、能量增加到545μJ，系统的电光效率达到了13%。该激光器放大级采用侧面泵浦掠入射板条的结构，能有效减小介质内部的热致波前畸变与热应力。

图4 短腔被动调Q脉冲激光器及双程放大激光器［23］Fig.4 Short-cavity passively Q-switched laser and dualpath amplifier laser［23］

同样地，由于表面积大、散热能力强的优势，单晶光纤、平片波导等取代块晶体作为放大级增益介质的方案也成为研究重点。2011年，法国巴黎十一大学的Martial等人报道了基于Nd∶YAG单晶光纤的亚纳秒振荡+放大（Master Oscilla⁃tor Power Amplifier，MOPA）激 光 的 输 出 性能［24］。使用LD泵浦Nd∶YAG单晶光纤，对脉宽470 ps、重频1 kHz、能量80μJ的种子激光进行双程放大，其结构如图5所示。在泵浦脉冲能量为7.13 mJ的条件下，获得了能量为2.61 mJ、峰值功率为5.6 MW的脉冲激光，放大后的激光脉冲宽度与光束质量基本不变。

图5 基于单晶光纤放大级的亚纳秒MOPA［24］Fig.5 Sub-nanosecond MOPA laser with a single-crystal fiber amplifier［24］

星载激光高度计利用亚纳秒激光脉冲，可获取精细的地面高程信息［25］。2012年，美国宇航局的Yu等人开发出一种高效率的Yb∶YAG被动调Q微片MOPA激光器，以支持激光雷达表面地形（Lidar Surface Topography，LIST）探测任务［26］。激光器结构如图6所示，其主振荡器以Cr4+∶YAG作为可饱和吸收体，采用窄线宽体布拉格光栅（Volume Bragg Grating，VBG）作为输出耦合器，在10 kHz的重复频率下，激光的单脉冲能量为100μJ，脉冲宽度为820 ps，中心波长为1 030.2 nm，光谱宽度为17 pm。其放大级采用平面波导技术，在90 W的泵浦条件下，输出单脉冲能量增加到2.2 mJ，脉宽基本不变，MOPA激光系统的电光效率接近11%。

图6 Yb∶YAG MOPA激光系统结构示意图［26］Fig.6 Yb∶YAG MOPA laser Transmitter［26］

2020年，北京工业大学的杜鑫彪等人介绍了一种LD泵浦Nd∶YAG/Cr4+∶YAG被动调Q激光器。谐振腔长约8 mm，输出重复频率为1 kHz、脉冲宽度810 ps、单脉冲能量为106μJ、光束质量因子为1.5的种子光，经双通放大器后，获得了平均功率达10 W，脉宽816 ps，线宽39 pm，光束质量因子M2小于1.8的激光输出［27］。

3.2 电光调Q亚纳秒激光器

与被动调Q技术相比，主动调Q技术可以利用调制元件实现对脉冲频率的主动控制。近年来，随着电光调Q等光学器件的技术发展，基于LD泵浦电光调Q的亚纳秒激光器也得到了巨大发展［28］。

2012年，北京工业大学的李强等人介绍了一种利用LD端面泵浦Nd∶YVO4晶体电光调Q的短腔激光器，其结构如图7所示［29］。晶体按布儒斯特角切割，将谐振腔长压缩为20 mm，采用KDP作为调Q元件，当泵浦功率为870 mW、脉宽130μs、输出镜透过率为70%时，输出脉宽小于600 ps、单脉冲能量大于0.42 mJ以及光束质量为1.9的100 Hz激光脉冲，不稳定度小于3%。该激光器与被动调Q激光器类似，具有结构紧凑的特点，但由于电光晶体的压电振铃效应，难以实现高重复频率工作。较短的介质长度也限制了激光器的能量和效率。

图7 电光调Q Nd∶YVO 4激光器装置图［29］Fig.7 Schematic diagram of electro-optically Q-switched Nd∶YVO 4 laser［29］

2013年，美国Fibertek公司的Edwards等人报道了ICESat-2卫星载荷的光源特性，光源结构如图8所示［30］。激光振荡级采用879 nm泵浦电光调QNd∶YVO4晶体，振荡级输出脉冲激光经过一级预放大和一级主放大，采用2块Nd∶YVO4晶体作为主放大，倍频采用非线性系数较高的LBO晶体，实现了满足星载激光高度计要求的窄脉宽亚纳秒绿光激光器。重复频率为10 kHz，脉冲宽度小于1.5 ns，最大脉冲能量为900μJ，光束质量小于1.6，线性偏振度为100∶1。该激光器的振荡级采用L型折叠腔以消除未吸收泵浦光对调Q晶体稳定性的影响，并且利用VBG作为输出镜实现了单频激光输出和频率调谐。2018年，美国宇航局发射的ICESat 2号卫星的三维测距激光雷达就是采用该系统作为光源。

图8 ICESat-2激光光源结构示意图［30］Fig.8 Optical layout for ICESat-2 laser transmitter［30］

2018年，南京先进激光技术研究院的陆俊等人提出了一种高效率、结构紧凑的双波长激光器，如图9所示［31］。该激光器基于MOPA方案，主振荡级采用LD端面泵浦电光调QNd∶YVO4激光器、谐振腔为平凸腔，输出脉冲能量为400 μJ、脉冲宽度为1.1 ns的1 064 nm基横模激光输出，经过LD泵浦Nd∶YVO4级联放大器，脉冲能量增至2.72 mJ，脉宽变为1.03 ns。之后又采用LBO晶体对种子光进行倍频，获得了单脉冲能量为1.54 mJ、脉宽小于910 ps、峰值功率为1.7 MW的532 nm绿光激光输出。类似地，2020年哈尔滨工业大学周益平等报道了一种主振荡+预防大+二级放大的MOPA结构激光器，在500 Hz的重复频率下，输出激光脉宽730 ps［32］。该激光器种子光能量较小，经预防级后能量达到400 μJ，能充分提取侧泵模块放大级能量，得到47.1 mJ的脉冲激光。

图9 Nd∶YVO4电光调Q、级联放大激光器［31］Fig.9 Schematic diagram of Nd∶YVO4 electro-optic Qswitched and cascade amplified laser［31］

图10 亚纳秒MOPA结构激光系统［32］Fig.10 Experimental setup of sub-nanosecond MOPA laser system［32］

3.3 倒空腔结构亚纳秒激光器

根据脉冲建立过程的不同，调Q又分为脉冲反射式调Q（Pulse Reflection Mode，PRM）和脉冲 投 射 式 调Q（Pulse Transmission Mode，PTM）。对于常见的PRM调Q方法，激光器的储能转换成光子能量和谐振腔释放能量的过程同时发生，受到增益强度等因素的影响，输出脉宽通常受到激光器的重复频率和泵浦功率等因素的影响而展宽。腔倒空方法（PTM）将反转粒子储能转换成光子和激光输出过程分离，脉冲输出过程的持续时间为光子往返时间，其理论输出脉宽仅与谐振腔的光学长度有关，远小于典型PRM调Q系统输出，而且不受工作重复频率和泵浦功率的影响［33-34］。

2019年，哈尔滨工业大学武文涛等人［35］报道了一种电光调QNd∶YAG亚纳秒激光器，系统结构如图11所示。激光器振荡级是LD端面泵浦主动电光腔倒空调QNd∶YAG激光器，谐振腔为折叠腔，几何长度约为40 mm，普克尔盒的开关时间约为8 ns。振荡级输出为1 k Hz，900 ps，1.9 mJ的激光脉冲。经过三级侧面泵浦Nd∶YAG激光双程放大，单脉冲能量放大到29.8 mJ、峰值功率为33.1 MW，利用该激光实现了等离子体空气击穿。该激光器结合腔倒空技术高储能以及Nd∶YAG晶体良好的热机械性能等特点，不经放大就可以达到mJ级的高重频脉冲，但输出脉冲宽度主要依赖于电光Q的开关时间，对高重频状态工作下电光器件的稳定性提出了严格的要求。

图11 腔倒空调Q的亚纳秒激光器［35］Fig.11 Subnanosecond laser with cavity-dumped Q-switched［35］

3.4 无腔结构亚纳秒激光器

基于对自发辐射的高增益放大，高增益激光器不需要谐振腔镜提供的反馈也可以实现高亮度、准相干光束输出［36］，这种激光器被称为无镜激光器或者弱反馈激光器。

2020年，清华大学江业文［37］等人报道了一种毫焦级亚纳秒弱反馈调Q脉冲激光器。如图12所示，它利用LD泵浦Nd∶YVO4晶体，晶体前端面镀有0.2%@1 064 nm的反射膜提供弱反馈，一对正交RTP晶体作为调Q元件，谐振腔的光学长度为55 mm。在1 k Hz的重复频率下，振荡级激光的单脉冲能量达到0.26 mJ，脉冲宽度约为449.7 ps，仅为1.2倍的谐振腔往返时间。经过双程MOPA放大，单脉冲激光能量放大到3.6 mJ左右，峰值功率为8.1 MW。由于基于自发辐射放大机制，该激光器的输出谱线宽度约为0.18 nm。相较于传统的调Q激光器，该方案的优点是在高增益的状态下，输出脉冲持续时间能接近单次往返时间的极限。

图12 亚纳秒弱反馈调Q激光器［37］Fig.12 Sub-nanosecond weak-feedback Q-switched la⁃ser［37］

3.5 光纤结构亚纳秒激光器

光纤独特的结构特点使其光纤光器具有散热效率高、光束质量好、结构紧凑和效率高等优点，在高功率激光、超短脉冲激光等方面得到了广泛的应用［38-40］。但波导结构的高增益特性使光纤激光器的输出特性具有非线性，此外，较低的损伤阈值也限制了光纤结构激光器的脉冲输出能量。

2011年，浙江大学刘伟等报道了一种被动式亚纳秒脉冲光纤激光器［41］，如图13所示，实现了输出脉宽小于1 ns、重复频率随抽运功率线性增长的宽谱激光输出。该方案的特点是通过在Yb光纤和光纤光栅组成的谐振腔中直接熔接一段Bi/Cr共掺光纤，既起到类似于饱和吸收体的作用，又能提供瑞利散射和受激布里渊散射的反馈作用。但由于受激布里渊散射的影响，脉冲波形并不光滑，仍有部分能量从尖峰转移到旁边的小脉冲中。

图13 被动式亚纳秒脉冲Yb光纤激光器［41］Fig.13 Yb fiber laser with passively generated sub-nano⁃second pulse［41］

2017年，徐成阳等报道了一种基于WS2可饱和吸收体的窄线宽脉冲光纤激光器［42］，获得了脉冲宽度为171 ps的窄线宽超短脉冲输出。但这种依赖于腔长和光纤种类的调节方式来获得窄脉冲激光的方法容易造成激光器结构复杂。近年来随着半导体技术的发展，调制半导体激光器驱动电路的电脉冲信号，可以得到亚纳秒脉冲宽度、脉冲波形和重复频率可调的激光脉冲，但这种半导体激光器的输出功率很小，需要多级放大器才能达到应用要求，另外，半导体种子光谱带较宽，在光纤中选频成了新的需求。2020年，陈欣等报道了一种掺镱光纤MOPA激光器泵浦的绿光激光器［43］，如图14所示，在500 kHz频率下输出450 ps的激光脉冲。该激光器由可调谐电路驱动的半导体激光器、两级前置放大器和主放大器组成。该激光器的优点是在前置放大器中选择了稍长的增益光纤，增益峰红移到1 064 nm，通过重吸收降低了放大自发辐射，净化了频谱，同时又利用吸收系数大的高掺杂YDF将基本光纤长度缩短至1.5 m，消除了导致光谱展宽的自相位调制，最终获得了0.04 nm带宽的激光脉冲。

图14 高重复频率亚纳秒窄带光纤激光器［43］Fig.14 Narrowband fiber laser with high repetition fre⁃quency and sub-nanosecond pulse［43］

3.6 不同结构亚纳秒激光器性能对比

通过对比国内外亚纳秒激光器的研究进展可知，基于被动调Q微片结构的亚纳秒激光器发展较为成熟，具有结构紧凑、可靠性高和易实现单模输出等特点，并已应用在机载、星载等激光雷达系统中［44-45］。由于被动调Q的工作特性，其工作重复频率与谐振腔的增益特性有关，需要通过严格的参量设计才能实现重频控制，输出特性易受工作条件变化的影响。此外，工作介质以各向同性的Nd∶YAG和Yb∶YAG晶体为主，效率相对较低。

与被动调Q技术相比，主动调Q技术可实现精确时序控制，对于激光雷达应用至关重要，而且采用具有大发射截面和偏振输出特性的Nd∶YVO4晶体作为激光介质。但是需要额外插入法珀或采用VBG作为输出镜，才能实现窄线宽单频激光，对Q开关的响应时间也有较高的要求，系统相对复杂。

无腔结构激光器存在的线宽大、光纤结构激光器存在的峰值功率低等问题都限制了系统在激光雷达领域的进一步应用。

此外，增益介质体积的限制使亚纳秒激光振荡器的输出能量普遍较低，需要采用MOPA结构提升能量，但由于脉冲宽度接近激光晶体热弛豫时间［46］，需要对脉冲激光放大器进行优化以获得高效率、低畸变的亚纳秒激光输出，侧面泵浦、双端泵浦和波导等不同结构的激光放大器被用于亚纳秒激光放大。

4 结论与展望

单光子探测技术的发展将激光测距系统的灵敏度提高到了单光子量级，突破了传统线性光电探测所能达到的极限距离，激光雷达向着深空、高精度、三维立体成像的方向发展，研究高重频亚纳秒的全固态激光器具有重大意义。本文综述了亚纳秒激光器的工作原理和国内外研究进展，综合近年来亚纳秒激光器的发展现状可以看出，研究重点已经由亚纳秒激光的产生方法转换到满足应用需求的亚纳秒激光系统上。未来重点发展方向：一是针对亚纳秒激光放大器提取效率低的问题，采用新型单晶光纤或波导结构激光放大器，提高亚纳秒激光器的整体效率［47-48］；二是采用高速电脉冲信号驱动的半导体激光器作为种子源，采用光纤和固态结构复合激光放大器［49］，避免非线性效应的影响，改善系统的紧凑性和可靠性。