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    三維成像激光雷達應(yīng)用的亞納秒激光器研究進展

    2021-07-14 15:51:44位超杰閆仁鵬李旭東孟祥熙劉欣陽
    光學(xué)精密工程 2021年6期
    關(guān)鍵詞:納秒泵浦諧振腔

    位超杰,閆仁鵬*,李旭東,孟祥熙,劉欣陽

    (1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧(氣體)激光技術(shù)國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱150080;2.蒙古正元有限責(zé)任公司,山東 濟南250101;3.山東正元數(shù)字城市建設(shè)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(shù),通過發(fā)射激光脈沖、接收回波信號來探測目標(biāo)的位置、速度和組分等信息。激光器持續(xù)向探測空間發(fā)射激光脈沖,激光光束經(jīng)過目標(biāo)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(biāo)之間的距離[1-2]。測量距離的精度與發(fā)射激光脈沖的時間寬度有關(guān),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(shù)和陣列接收的推帚式多元陣列探測技術(shù)逐漸成熟[2-5],采用亞納秒激光脈沖的三維激光雷達系統(tǒng)可以實現(xiàn)高速運動目標(biāo)的高精度三維成像。2018年,美國宇航局成功發(fā)射了“冰、云和陸地高程”2號衛(wèi)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(wèi)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(xiàn)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(yīng)用需求,亞納秒激光光源也得到了巨大發(fā)展。

    鎖模技術(shù)通過控制激光諧振腔振蕩縱模間的相位關(guān)系,可以實現(xiàn)超短脈沖激光輸出,脈沖寬度與工作物質(zhì)特性有關(guān),對于固態(tài)晶體或染料激光介質(zhì),可以實現(xiàn)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(xiàn)毫米量級的測距精度,但是其工作重復(fù)頻率由諧振腔長度決定,通常在兆赫茲量級,需要外加調(diào)制器進行脈沖選取才能實現(xiàn)千赫茲、窄脈寬激光,系統(tǒng)相對復(fù)雜,穩(wěn)定性和可靠性仍需要改善,限制了超短脈沖光源在lidar等領(lǐng)域的應(yīng)用[7]。

    調(diào)Q技術(shù)通過控制激光諧振腔內(nèi)的品質(zhì)因數(shù)(Q值),將反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在短時間內(nèi)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(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值[8-9]。本文基于調(diào)Q工作的基本理論,對比討論不同方法的技術(shù)特點,結(jié)合激光雷達的應(yīng)用需求對亞納秒固體激光器的發(fā)展進行了展望。

    2 窄脈寬激光器基本原理

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

    式中:Sp是表征脈沖波形的數(shù)字,根據(jù)經(jīng)驗公式可得Sp=0.86;N0為開始產(chǎn)生脈沖時的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度;Nt閾值粒子數(shù)密度;η為量子提取效率;lr為腔內(nèi)往返光學(xué)長度;c為真空中光速;σ為受激發(fā)射截面;γ為諧振腔損耗系數(shù)。脈寬tw隨1/γ的關(guān)系如圖1所示,歸一化脈沖寬度隨腔損耗系數(shù)的增大而先減后增,存在最佳的腔損耗系數(shù),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(guān),腔損耗系數(shù)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(nèi)光子的振蕩次數(shù)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(shù)的變化關(guān)系Fig.1 Pulsewidth as a function of the inverse cavity out?put coupling

    將式(1)對γo求導(dǎo),得到最窄脈沖寬度的表達式:

    式中:γo為輸出耦合損失系數(shù),γp=γ-γo為腔內(nèi)損耗系數(shù);n為增益介質(zhì)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(shù);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(diào)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(guān)。此外,實際應(yīng)用中脈沖激光器輸出脈沖寬度還與調(diào)Q器件的開關(guān)速度有關(guān)。對于三維激光雷達系統(tǒng)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(guān)時間短的調(diào)Q器件[16],還可以通過微腔結(jié)構(gòu)、提高儲能等方式實現(xiàn)亞納秒脈沖激光。

    3 亞納秒激光器研究進展

    3.1 被動調(diào)Q微片結(jié)構(gòu)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(yōu)點,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。與主動調(diào)Q技術(shù)相比,被動調(diào)Q技術(shù)不需要外界控制或驅(qū)動,有效提高了激光器的緊湊性和可靠性。被動調(diào)Q技術(shù)依靠可飽和吸收體的非線性吸收特性調(diào)制諧振腔的品質(zhì)因數(shù),在諧振腔內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后瞬時釋放,產(chǎn)生大能量、窄脈寬的激光脈沖。通過控制諧振腔長度,被動調(diào)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(diào)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(xiàn)單頻輸出等特點。以上這些優(yōu)點使被動調(diào)Q微片激光器成為三維成像激光雷達發(fā)展的重要支撐。

    圖2 被動調(diào)Q微片激光器結(jié)構(gòu)示意圖[17]Fig.2 Simple variation of passively Q-switched micro?chip laser[17]

    美國麻省理工學(xué)院林肯實驗室的Zayhowski等人對半導(dǎo)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(diào)Q微片激光器及其放大系統(tǒng)。重復(fù)頻率為10 kHz時,最大脈沖能量最大達到210μJ,重復(fù)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(wěn)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(wèi)星間測距,測距精度達到厘米量級[21-22]。

    圖3 被動調(diào)Q微片激光器及其放大系統(tǒng)[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(yīng)成為不可避免的問題。2009年,意大利帕維亞大學(xué)的Agnesi等人報道了10 kHz單頻亞納秒激光器,其結(jié)構(gòu)如圖4所示[23]。振蕩級選用Nd∶YAG/Cr4+∶YAG復(fù)合晶體作為被動調(diào)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(fù)頻率在1~10 kHz可調(diào)。經(jīng)過LD側(cè)面抽運Nd∶YVO4板條激光放大器后,激光脈寬變?yōu)?77 ps、能量增加到545μJ,系統(tǒng)的電光效率達到了13%。該激光器放大級采用側(cè)面泵浦掠入射板條的結(jié)構(gòu),能有效減小介質(zhì)內(nèi)部的熱致波前畸變與熱應(yīng)力。

    圖4 短腔被動調(diào)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(yōu)勢,單晶光纖、平片波導(dǎo)等取代塊晶體作為放大級增益介質(zhì)的方案也成為研究重點。2011年,法國巴黎十一大學(xué)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(fā)出一種高效率的Yb∶YAG被動調(diào)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(wù)[26]。激光器結(jié)構(gòu)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(fù)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(dǎo)技術(shù),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(tǒng)的電光效率接近11%。

    圖6 Yb∶YAG MOPA激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[26]Fig.6 Yb∶YAG MOPA laser Transmitter[26]

    2020年,北京工業(yè)大學(xué)的杜鑫彪等人介紹了一種LD泵浦Nd∶YAG/Cr4+∶YAG被動調(diào)Q激光器。諧振腔長約8 mm,輸出重復(fù)頻率為1 kHz、脈沖寬度810 ps、單脈沖能量為106μJ、光束質(zhì)量因子為1.5的種子光,經(jīng)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(zhì)量因子M2小于1.8的激光輸出[27]。

    3.2 電光調(diào)Q亞納秒激光器

    與被動調(diào)Q技術(shù)相比,主動調(diào)Q技術(shù)可以利用調(diào)制元件實現(xiàn)對脈沖頻率的主動控制。近年來,隨著電光調(diào)Q等光學(xué)器件的技術(shù)發(fā)展,基于LD泵浦電光調(diào)Q的亞納秒激光器也得到了巨大發(fā)展[28]。

    2012年,北京工業(yè)大學(xué)的李強等人介紹了一種利用LD端面泵浦Nd∶YVO4晶體電光調(diào)Q的短腔激光器,其結(jié)構(gòu)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(diào)Q元件,當(dāng)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(zhì)量為1.9的100 Hz激光脈沖,不穩(wěn)定度小于3%。該激光器與被動調(diào)Q激光器類似,具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點,但由于電光晶體的壓電振鈴效應(yīng),難以實現(xiàn)高重復(fù)頻率工作。較短的介質(zhì)長度也限制了激光器的能量和效率。

    圖7 電光調(diào)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(wèi)星載荷的光源特性,光源結(jié)構(gòu)如圖8所示[30]。激光振蕩級采用879 nm泵浦電光調(diào)QNd∶YVO4晶體,振蕩級輸出脈沖激光經(jīng)過一級預(yù)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(shù)較高的LBO晶體,實現(xiàn)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(fù)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(zhì)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(diào)Q晶體穩(wěn)定性的影響,并且利用VBG作為輸出鏡實現(xiàn)了單頻激光輸出和頻率調(diào)諧。2018年,美國宇航局發(fā)射的ICESat 2號衛(wèi)星的三維測距激光雷達就是采用該系統(tǒng)作為光源。

    圖8 ICESat-2激光光源結(jié)構(gòu)示意圖[30]Fig.8 Optical layout for ICESat-2 laser transmitter[30]

    2018年,南京先進激光技術(shù)研究院的陸俊等人提出了一種高效率、結(jié)構(gòu)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(diào)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(jīng)過LD泵浦Nd∶YVO4級聯(lián)放大器,脈沖能量增至2.72 mJ,脈寬變?yōu)?.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(yè)大學(xué)周益平等報道了一種主振蕩+預(yù)防大+二級放大的MOPA結(jié)構(gòu)激光器,在500 Hz的重復(fù)頻率下,輸出激光脈寬730 ps[32]。該激光器種子光能量較小,經(jīng)預(yù)防級后能量達到400 μJ,能充分提取側(cè)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(diào)Q、級聯(lián)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(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)[32]Fig.10 Experimental setup of sub-nanosecond MOPA laser system[32]

    3.3 倒空腔結(jié)構(gòu)亞納秒激光器

    根據(jù)脈沖建立過程的不同,調(diào)Q又分為脈沖反射式調(diào)Q(Pulse Reflection Mode,PRM)和脈沖 投 射 式 調(diào)Q(Pulse Transmission Mode,PTM)。對于常見的PRM調(diào)Q方法,激光器的儲能轉(zhuǎn)換成光子能量和諧振腔釋放能量的過程同時發(fā)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(fù)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(zhuǎn)粒子儲能轉(zhuǎn)換成光子和激光輸出過程分離,脈沖輸出過程的持續(xù)時間為光子往返時間,其理論輸出脈寬僅與諧振腔的光學(xué)長度有關(guān),遠小于典型PRM調(diào)Q系統(tǒng)輸出,而且不受工作重復(fù)頻率和泵浦功率的影響[33-34]。

    2019年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)武文濤等人[35]報道了一種電光調(diào)QNd∶YAG亞納秒激光器,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(diào)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(guān)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(jīng)過三級側(cè)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(xiàn)了等離子體空氣擊穿。該激光器結(jié)合腔倒空技術(shù)高儲能以及Nd∶YAG晶體良好的熱機械性能等特點,不經(jīng)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(guān)時間,對高重頻狀態(tài)工作下電光器件的穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格的要求。

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

    3.4 無腔結(jié)構(gòu)亞納秒激光器

    基于對自發(fā)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(xiàn)高亮度、準(zhǔn)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(xué)江業(yè)文[37]等人報道了一種毫焦級亞納秒弱反饋調(diào)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(diào)Q元件,諧振腔的光學(xué)長度為55 mm。在1 k Hz的重復(fù)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(jīng)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(fā)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(tǒng)的調(diào)Q激光器,該方案的優(yōu)點是在高增益的狀態(tài)下,輸出脈沖持續(xù)時間能接近單次往返時間的極限。

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

    3.5 光纖結(jié)構(gòu)亞納秒激光器

    光纖獨特的結(jié)構(gòu)特點使其光纖光器具有散熱效率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊和效率高等優(yōu)點,在高功率激光、超短脈沖激光等方面得到了廣泛的應(yīng)用[38-40]。但波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)激光器的脈沖輸出能量。

    2011年,浙江大學(xué)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(xiàn)了輸出脈寬小于1 ns、重復(fù)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)方式來獲得窄脈沖激光的方法容易造成激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,調(diào)制半導(dǎo)體激光器驅(qū)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(fù)頻率可調(diào)的激光脈沖,但這種半導(dǎo)體激光器的輸出功率很小,需要多級放大器才能達到應(yīng)用要求,另外,半導(dǎo)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(diào)諧電路驅(qū)動的半導(dǎo)體激光器、兩級前置放大器和主放大器組成。該激光器的優(yōu)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(fā)輻射,凈化了頻譜,同時又利用吸收系數(shù)大的高摻雜YDF將基本光纖長度縮短至1.5 m,消除了導(dǎo)致光譜展寬的自相位調(diào)制,最終獲得了0.04 nm帶寬的激光脈沖。

    圖14 高重復(fù)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(jié)構(gòu)亞納秒激光器性能對比

    通過對比國內(nèi)外亞納秒激光器的研究進展可知,基于被動調(diào)Q微片結(jié)構(gòu)的亞納秒激光器發(fā)展較為成熟,具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高和易實現(xiàn)單模輸出等特點,并已應(yīng)用在機載、星載等激光雷達系統(tǒng)中[44-45]。由于被動調(diào)Q的工作特性,其工作重復(fù)頻率與諧振腔的增益特性有關(guān),需要通過嚴(yán)格的參量設(shè)計才能實現(xiàn)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(zhì)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(diào)Q技術(shù)相比,主動調(diào)Q技術(shù)可實現(xiàn)精確時序控制,對于激光雷達應(yīng)用至關(guān)重要,而且采用具有大發(fā)射截面和偏振輸出特性的Nd∶YVO4晶體作為激光介質(zhì)。但是需要額外插入法珀或采用VBG作為輸出鏡,才能實現(xiàn)窄線寬單頻激光,對Q開關(guān)的響應(yīng)時間也有較高的要求,系統(tǒng)相對復(fù)雜。

    無腔結(jié)構(gòu)激光器存在的線寬大、光纖結(jié)構(gòu)激光器存在的峰值功率低等問題都限制了系統(tǒng)在激光雷達領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。

    此外,增益介質(zhì)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(jié)構(gòu)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(yōu)化以獲得高效率、低畸變的亞納秒激光輸出,側(cè)面泵浦、雙端泵浦和波導(dǎo)等不同結(jié)構(gòu)的激光放大器被用于亞納秒激光放大。

    4 結(jié)論與展望

    單光子探測技術(shù)的發(fā)展將激光測距系統(tǒng)的靈敏度提高到了單光子量級,突破了傳統(tǒng)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(fā)展,研究高重頻亞納秒的全固態(tài)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(nèi)外研究進展,綜合近年來亞納秒激光器的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出,研究重點已經(jīng)由亞納秒激光的產(chǎn)生方法轉(zhuǎn)換到滿足應(yīng)用需求的亞納秒激光系統(tǒng)上。未來重點發(fā)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(dǎo)結(jié)構(gòu)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(qū)動的半導(dǎo)體激光器作為種子源,采用光纖和固態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)合激光放大器[49],避免非線性效應(yīng)的影響,改善系統(tǒng)的緊湊性和可靠性。

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