用于激光雷达的激光器辐射源技术进展

　Development of Laser Source Technology for Radar
　　 □电子工程学院　马超杰　吴　丹　刘正清
　　摘 要：介绍了用于激光雷达的多种激光器辐射源：CO2激光器、二极管泵浦固体激光器、二极管激光器以及光纤激光器的技术进展，探索了它们未来的发展方向。
　　关 键 词：激光器　辐射源　激光雷达
　　结合激光技术与雷达技术的激光雷达具有许多独特的优点。激光雷达具有极高的空间分辨率，能够对目标的回波强度、距离、速度等特征进行多次精确测量，可以获得目标的多种实时三维图像（如强度像、距离像、多普勒像等）。采用激光成像雷达同多种战场侦察传感器进行数据融合大大优于其他被动式光电传感器及无线电雷达，因而激光雷达的研制和性能优化是武器重点发展的方向。
　　从激光器辐射源的工作原理角度来看，目前的激光器主要分为CO2激光器、二极管泵浦固体激光器、二极管激光器以及光纤激光器四类，其中具有可调谐性能的激光器为多波段激光雷达提供了基础，广泛地应用于激光雷达系统。
　　一、CO2激光器
　　 1. CO2激光器的优点
　　 CO2激光器在应用方面具有许多优点：
　　由于CO2激光相干性好，便于采用外差探测，理论和实验证明，在没有起伏的单脉冲情况下，外差探测的灵敏度比直接探测高80倍；
　　 CO2激光具有波段优势，工作波长10.6?滋m恰好处于大气长波红外窗口范围（8~14?滋m），受环境因素的影响较小，可以全天候工作；
　　在能见度低的恶劣战场条件（烟尘、烟雾、雨天、人工烟雾等）下，其透明度大大高于1.06?滋m固体Nd+3:YAG激光器；
　　在战场条件下，传输10km时，10.6?滋m激光传输衰减比1.06?滋m激光低20dB；
　　 CO2激光可对散射截面小的弱目标尤其是红外隐身目标进行有效探测，具有极高的灵敏度；
　　与8~14?滋m的热成像系统具有很好的兼容性，容易实现主、被动复合制导；
　　 CO2激光波长处在人眼安全波长限1.4?滋m之上，在中小功率照射下，不会伤损人的视网膜。
　　 2. CO2激光器的技术发展
　　经过多年的研究，CO2长波红外激光器、各单元器件和主要关键技术都比较成熟。为了便于战术条件下使用，CO2激光成像雷达不断向高稳定性、长寿命、小型化方向发展。哈尔滨工程大学进行了"小型化TEA CO2激光器"和"封离型BN陶瓷波导CO2激光器"的研制，为激光雷达提供了关键的激光源；小型军用波导CO2激光器，可以做成双通道高稳频或高功率稳频板条放大形式，转换效率高达25%，调Q波导CO2激光器既可采用电脉冲调Q，还可以采用CdTe电光晶体调Q，脉冲重复频率国外已达到100kHz，国内可以达到40kHz以上；"高功率快速调TEA CO2激光器的研究"，是国内外当前研究的重点；CO2气体激光器还具有向全固化方向发展的前景；此外，CO2激光器寿命短的问题也找到了解决途径，国内的CO2激光器，存放寿命已达10年；激光器的射频激励电源150W时的体积可以达到100mm×70mm×20mm；相应的高频响应光伏型低温制冷HgCdTe探测器在国外达到1GHz以上，国内也可以达到400MHz以上，并大力研制非制冷型提高实用性。
　　 3. CO2激光器的应用
　　应用CO2激光相干成像雷达进行机载反坦克导弹的精确制导的研究，是1977年由麻省理工学院的林肯实验室开始的，实验室于1981年研制成功并进行了演示试验。沃特（Vought）公司的高速反坦克导弹（HVM）就是采用这种制导方式的机载反坦克导弹。早在20世纪70年代末，美国国防先进技术研究计划局（Defence Advanced Research Projects Agency）就决定把CO2激光相干成像雷达作为第二代巡航导弹制导系统的主攻方向，现已到了技术基本成熟阶段。DARPA和美国空军航空系统分部主持的巡航导弹先进制导（CMAG，Cruise Missile Advanced Guidence）预研计划，1977~1989年完成了研究计划，并完成了飞行演示实验，进一步研制了CO2激光主动成像雷达导引头工程样机。目前CMAG技术已应用在空中发射的先进战略巡航导弹AGM-129A上，使其目标精度由原来的40m提高到3m，提高一个数量级。美国前麦·道公司为空军研制的一种全天候CO2激光相干成像雷达，于1988年进行了样机演示，预计装在战斧（Tomahawk）改型巡航导弹上。
　　二、二极管泵浦固体激光器（DPSSL）
　　 1. DPSSL的优点
　　二极管泵浦固体激光器（DPSSL）兼备了二极管激光器和固体激光器的优点，电光转换效率达19%，可连续工作数十万个小时，热负荷和热效应远低于闪光灯泵浦固体激光器，而且光束质量好、体积小、可实现全固化。DPSSL的激光介质本身往往还可充当调制器件或非线性器件等，或者调制器件、非线性器件与激光介质紧贴在一起实现腔的某个元件的功能。腔的结构简单、可靠、多功能、应用小型微型的器件就可输出高功率的激光；另一方面，小型微型结构具有固有的单模、单频特性，频率稳定性高，振幅噪声低，成为激光成像的理想光源，大大方便了激光成像雷达的设计。
　　 2. DPSSL的技术发展
　　目前，用于DPSSL固体激光器的材料主要是YAG、YLF和高增益的YVO4，掺入激活离子有Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+；波长可调谐的有Ti:Al2O3、CriSAF、CriCAF、CriSGAF等，其中掺入离子为Cr3+、Ti3+。
　　要求半导体激光二极管的泵浦波长要与固体激光工作物质的吸收峰匹配、与激光振荡模式匹配，阈值要低，功率要大。耦合方式有直接耦合、光纤耦合、微透镜及透镜通道耦合、微透镜光学系统耦合等多种方式。
　　从泵浦结构上来看，主要有端面泵浦和侧泵浦方式。端面泵浦方式耦合效率高，泵浦光束质量高，易于实现基模输出；对于大功率的DPSSL，为避免热畸变和泵浦光的耦合，可选用合适的侧面泵浦方式。
　　随着高亮度泵浦源、高增益的激光介质、具有大非线性常数晶体的发展，出现了结构更加紧凑、体积更小、输出功率更高、光束质量更好、波长范围覆盖从紫外到红外的小型微型DPSSL激光器，例如采用边缘泵浦Zag-Zag板条或为薄片的Yb:YAG晶体可得到大功率的激光输出。德国航空航天研究院技术物理所的研究人员构造的一种数百瓦级DPSSL激光器，采用了薄片Yb:YAG晶体，腔结构设计使热梯度与激光束共线、泵浦光在晶体中经过多次采用光纤耦合泵浦，采用按比例功率放大概念，可获得光束质量近衍射限的、高效率的、百瓦级的可调谐输出。
　　 3. DPSSL的应用
　　 1971年，美国成功研制出用于导弹靶场测量的激光雷达--精密自动跟踪系统（PATS），采用Nd:YAG脉冲激光器，作用距离30~60km（合作目标），精度：0.6m，0.1mrad。1986年，斯坦福大学首次成功地实现了全固态激光雷达系统的相干探测。1988~1989年相干技术公司（Coherent Corp.）研制成了操作性和数据处理的实时性能更好的第二代Nd:YAG激光雷达系统。
　　二极管泵浦固体激光雷达技术的发展始于20世纪80年代，在1990年的SPIE激光雷达会议上,相干技术公司介绍了研制的脉冲相干固体激光雷达系统。两种系统工作波长1.06μm和2.1μm，后者应用Tm,Ho:YAG工作物质，实现了对人眼安全的波长输出。1994年，美国空军怀特实验室介绍了他们研究的既可用于直接探测，也可用于相干探测的二极管泵浦固体成像激光雷达系统。
　　美国诺斯罗普公司研制的"ALARMS"机载水雷探测激光雷达，可24小时工作，采用卵形扫描方式，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高。能准确测得水下水雷等可疑目标，诺斯罗普公司在2006年4月赢得两个生产机载激光水雷探测系统（ALMDS）的合同，此系统是为美海军计划制造的4艘濒海战斗舰（LCS）搭载的MH-60S直升机而设计。
　　三、半导体激光器
　　 1. 半导体激光器的优点
　　半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器，也称为激光二极管（LD）。它具有低压工作、体积小、效率高、寿命长、结构简单、价格便宜以及能够高速工作等一系列的优点。半导体激光器可以采用简单的电流注入的方式泵浦，工作电压和电流与集成电路兼容，便于单片集成；并且还可用高达千兆赫兹的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出，在光电信息处理领域有着很广的应用前景。
　　 2. 半导体激光器技术的发展
　　从激光的输出类型来看，可分为半导体结型二极管注入式激光器（同质结、单异质结、双异质结）和垂直腔表面发射激光器（VCSELs）；从制造工艺来看，可分为一般半导体激光器、分布反馈式半导体激光器、量子阱半导体激光器；半导体激光器阵列可分为单元列阵、一维线列阵、二维面阵。
　　半导体结型激光器从侧端面输出激光，输出光束的截面是椭圆，发射角较大，光束质量不佳；垂直腔表面发射激光器，从垂直于半导体薄片的方向发射激光，激光束的发散角小，截面为圆形，应用集成电路工艺便于集成为二维面阵的面发射激光器。分布式反馈半导体激光器依靠刻蚀光栅反馈选模易于获得单模、单频输出。量子阱激光器具有阈值电流低、输出功率高、频率响应好、光谱线窄、温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点。量子阱激光器单个输出功率现已大于1W，承受的功率密度已达10MW/cm3以上。把多个量子阱半导体激光器采用阵列式结构集成，应用阵列锁相技术，在室温下，连续输出功率则可达到l00W以上，脉冲输出高达数千瓦。
　　 3. 半导体激光器技术的应用
　　近年来半导体激光器技术发展迅猛，已覆盖从紫外到中长红外的波谱范围。中长红外波段的大气窗口对于提高激光成像雷达的作用距离有着非常重要的意义。基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，QCLs），突破了半导体能隙对波长的限制。1994年美国贝尔实验室发明了InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器，工作波长4.2?滋m。经过不断的探索，QCLs工作温度已从10K发展到300K，输出功率从几毫瓦到1瓦，波长从4.2?滋m、10?滋m到13?滋m，QCLs在大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士纳沙泰尔（Neuchatel）大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW。中国科学院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功工作温度120K、波长5μm和工作温度250K、波长8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功波长3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器。目前，量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（波长3~87μm），显示出重要的应用前景。采用此类QCLs激光器，极有可能彻底解决长波红外激光成像雷达全固化难题，研究出真正意义上全固化、小型化的长波红外激光成像雷达，保持长波红外的一系列优势。
　　 1985年美国空军怀特实验室委托舒瓦茨（Schwartz）电光公司（SEO）研制了一个机载武器制导二极管成像激光雷达系统并进行了一系列飞行试验。自20世纪90年代初以来，美国桑迪亚（Sandia）国家实验室一直致力于发展一种新的非扫描二极管成像激光雷达，已用市售器件制成连续、准连续和脉冲激光二极管成像雷达原理样机，分别在空军、陆军和国家航空航天局（NASA）的支持下进行了外场试验。在发射功率为5W、单脉冲能量250mJ和照射视场为5°~9°的情况下，对1km远的坦克和军用卡车，获得帧速度为15~30Hz、距离分辨率为15.2cm的清晰图像。美国诺斯-格鲁曼（Northcorp）直升机防撞雷达，具有三维成像和测距功能，视场25°×50°，对电线的探测距离400m，质量18kg，采用GaAlAs激光器，应用APD直接探测。
　　四、光纤激光器
　　光纤激光器由一段光纤直经0.5~5.0m的掺稀土族元素（铒、镨、铥、铌、钕等）的光纤制成。其结构简单、损耗低、成本低、体积小、散热效果好，可应用激光二极管泵浦且泵浦光与信号光耦合好，并且能够得到极窄的高能量脉冲。应用双包层工艺、多芯光纤侧耦合泵浦技术显著地提高了端面泵浦效率，可获得100W的连续波输出；应用多个光纤激光器耦合输出，还会很好地提升输出功率；应用非线性系数大的光子晶体光纤还可以在获得同样输出功率的情况下，极大地缩短光纤长度。
　　光纤元件的发展有力地推动了光纤激光器在激光雷达中的应用。应用光栅制成的布拉格反射光栅展宽和再压缩超短脉冲，有利于高峰值功率脉冲的产生，也使得以光纤为基础的线性调频脉冲放大方案成为可行。利用这种方式，单模掺铒光纤放大器获得了超过10MW、600fs的脉冲。法国Keopsys公司研制的多种1.06μm、1.5μm脉冲光纤激光器产品适合于多种激光雷达的应用，其中的1.5μm超小体积免制冷脉冲光纤激光器应用Keopsys的V型槽侧面泵浦VSP专利技术，其尺寸只有90mm×20mm，重量不到100g，极低功耗小于5W，设计牢固可靠，高峰值功率4kW，重复频率 10k~300kHz，适合于激光雷达成像等应用。
　　五、可调谐激光器
　　具有不同工作波长的连续可调谐固体激光器能够提供多波段的高效激光源，便于激光成像雷达得到地物的多光谱图像信息，能更有效地识别伪装。最早出现的理想可调谐激光器是染料激光器，通过将染料封装于固体基质进行固化得到固体染料激光器。目前已在紫外到近红外的范围内获得了连续可调谐输出，但是每种染料的可调谐范围一般只有50~100nm。
　　近年来，可调谐固体激光器有了显著的发展，按照激光晶体主要分为三类：色心激光器、掺过渡金属离子晶体和非线性晶体。色心激光器也叫做F心激光器，由碱金属卤化物晶体及碱土氟化物晶体中的离子位置结合一个电子形成，通过γ射线辐照、高能电子束轰击、激光照射等方法使激光晶体着色。目前研制的色心激光器，其振荡波长的总调谐范围达0.36~3.99?滋m，且单一的色心晶体可调谐范围都很宽，约200~400nm。
　　利用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的固体可调谐激光器性能稳定，其中以掺钛的蓝宝石激光器（Ti:Al2O3）技术最为成熟，可以在较宽的波长范围（660~1180nm）内连续可调。
　　非线性晶体（如BBO、LBO、KPT）的发展，使得固体激光器的输出波长可覆盖从紫外到中红外的光谱范围。运用光学参量振荡（OPO）技术得到了高功率中红外（3~5?滋m）单频连续激光器。美国Light Solution的研究人员研制的采用周期性极化铌酸锂（PPLN）的腔内OPO，输出波长1.5~5.0?滋m，功率达6W；德国ELS公司推出了一款可以在2~5μm范围内调谐的商品化OPO激光器SpectroStar，可以在2~5μm内调谐，并在2.954μm处输出高达3W的连续功率；美国的直升机防撞激光成像雷达和预警机载"门警" 系统激光雷达，英国的差分吸收光雷达系统（DILS）都是采用OPO作辐射源。
　　六、总结
　　高功率小型固态激光器、二极管激光器及阵列和光纤激光器的快速发展，使得高可信度、小型化、长寿命、非制冷、全固态的激光雷达系统逐渐应用到军事领域的多个角落，这必将会极大地提高未来军事装备的战斗力。
　　参考文献
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