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 3L 4L 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。

2． 二极管泵浦Nd:YAG 激光器（DLPL）这是一种用半导体激光二极管代替原来闪光灯作为泵浦源的Nd:YAG激光器。

由于该激光器的工作物质Continuum 激光器Powerlite 系列Continuum 激光器Inlite 系列Continuum 激光器Minilite 系列Continuum 激光器Surelite 系列图2.10 不同类型的Nd:YAG 激光器的外形Nd:YAG 激光工作物质的吸收光谱特性精选闪光灯测得的发光光谱泵浦激光二级管的发射光谱 图2.11 Nd:YAG 相关光谱特性表2.1 几种不同类型的Nd:YAG 激光器的主要技术指标为固体，又用半导体固体光源代替了原来的闪光灯气体光源，故也称之为全固态激光器。

通过这种泵浦光源的替换，使Nd:YAG 激光器的许多性能都得到了很大的改善。

成为一种很有发展前景的激光器，在激光雷达的应用中也获得了越来越广泛的应用。

Nd:YAG 激光工作物质的吸收光谱特性如图2.11所示，在它的若干个吸收峰中有0.75，0.81，0.9μm 等五个主要的吸收区，其中0.75和0.81μm 的两个吸收区最为重要。

当用普通闪光灯（常用脉冲氙灯）对其进行泵浦时，在精选闪光灯参数的情况下所测得的发光光谱如图2.11所示。

可见，即使是在这种有利的情况下，闪光灯光谱中只有一部分能量可用于泵浦Nd:YAG，其泵浦效率很低；而当用激光二级管泵浦时，其波长在0.81μm 附近的单峰发射光谱几乎可以全部与Nd:YAG 的0.81μm 吸收光谱重合，使泵浦效率大大提高。

利用激光二极管泵浦Nd:YAG 可有多种方式，其中主要有端泵和侧泵两种。

对于小功率激光器，多采用如图2.12a 所示的端泵方式。

端泵方式通常采用单个泵浦激光二极管（单管功率可达数瓦），其输出光经透镜聚焦后从Nd:YAG 的端面输入进行泵浦。

在此方式中，后反射镜M 2必须对泵光波长（0.81μm ）全透射，而对激光波长 1.064μm 全反射，而出射镜M 1对1.064μm 部分透射、部分反射。

对较大功率激光器，则需采用如图2.12b 所示的侧泵方式。

这时，泵浦二极管由多管排成的阵列形成（阵列功率可达数百瓦），从Nd:YAG 的侧面对其进行泵浦。

有时，在泵光的对侧还安装反光镜，以最大效率利用泵光能量。

在侧泵方式中，M 1M 2组成的激光腔如平常一样，其一对1.064μm 激光全反射，另一对1.064μm 部分反射以输出激光。

激光二极管阵列 反光镜a) 端面泵浦配置b) 侧面泵浦配置图2.12 激光二极管泵浦的多种配置由于激光二极管作为光源其电光转换效率可高达50％，比闪光灯高很多，再加上如上所述二极管泵浦Nd:YAG 的效率又要比用闪光灯高很多，从而使二极管泵浦Nd:YAG 激光器的总效率可高达10～30％，比闪光灯泵浦Nd:YAG 的1～3％的总效率提高了近10倍。

同时，由于效率的提高，使大功率激光器的热耗问题得以解决，从而在降低功耗的同时，还有效地大大提高了激光器的光束质量。

此外，由于固体二级管的采用，使激光器的结构简化、体积减小、可靠性提高、工作寿命加长。

以脉冲工作方式为例，最好的脉冲闪光灯寿命约107次，而激光二极管则可达109次，提高约100倍，可见其在实用中的优势。

和闪光灯泵浦Nd:YAG 激光类似，二极管泵浦Nd:YAG激光器可做成连续波工作方式，也可加(a)(b)图2.13 二极管泵浦脉冲激光器的外形照片表2.2 二极管泵浦脉冲激光器的主要技术指标上Q开关技术做成脉冲工作方式。

图2.13和表2.2分别给出两种二极管泵浦脉冲激光器的外形照片和其主要技术指标。

其中图2.13a所示为功率较大的一种，其527nm绿光的脉冲能量在1KHz重复率下可达30mJ，平均功率约40W。

而图2.13b所示则为平均功率的0.2W的小功率型，其532nm绿光的脉冲能量在10KHz重复率下可达20μJ。

在适当降低脉冲能量时，其重复频率可达50KHz。

上述低能量、高重复频率的二极管泵浦Nd:YAG激光器已被一种商品化的米散射激光雷达（微脉冲激光雷达，Micro Pulse Lidar）采用，这种激光雷达的脉冲能量μJ级，经适当扩束可达到非常希望的人眼安全的标准，而由于其重复频率高，相应的平均功率也不致太低，从而使该米散射激光雷达还有较强的探测能力。

3. CO2激光器CO2激光器是一种典型的气体激光器，其工作物质为气态的CO2分子。

由于其激发效率高，工作物质体积大，可做成大功率的形式（单台连续波功率可超过万瓦），因此在激光加工领域获得了广泛的应用。

另一方面，由于其输出波长在9～11μm的中红外，有较好的大气传输特性和具有人眼安全的特点，而且其输出波长还可以在上述范围内进行选支调节，因此CO2激光器在激光雷达中的应用也很广泛。