二极管激光器

激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照P-N结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是市场应用的主流产品。作为元件材料，使用AlGaAs、InGaAlP、InGaN、ZnO等化合物半导体，由于LSI及Tr、Di等使用的Si跃迁概率（电流转变为光的概率）较差，因此不适用于激光二极管。

①波长：即激光管工作波长，可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

②阈值电流：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。

③工作电流：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。

④工作电压：是发出规定的光输出时需要的正向电压。

⑤光输出功率：最大允许的瞬时光学功率输出。这适用于连续或脉冲操作模式。

⑥暗电流：光电二极管反向偏置时的泄漏电流。暗电流既取决于温度又取决于电压，理想的二极管/光电二极管在相反的方向上没有电流。

激光二极管中的P-N结由两个掺杂的砷化镓层形成。它有两个平端结构，平行于一端镜像（高度反射面）和一个部分反射。要发射的光的波长与连接处的长度正好相关。当P-N结由外部电压源正向偏置时，电子通过结而移动，并像普通二极管那样重新组合。当电子与空穴复合时，光子被释放。这些光子撞击原子，导致更多的光子被释放。随着正向偏置电流的增加，更多的电子进入耗尽区并导致更多的光子被发射。最终，在耗尽区内随机漂移的一些光子垂直照射反射表面，从而沿着它们的原始路径反射回去。反射的光子再次从结的另一端反射回来。光子从一端到另一端的这种运动连续多次。在光子运动过程中，由于雪崩效应，更多的原子会释放更多的光子。这种反射和产生越来越多的光子的过程产生非常强烈的激光束。在上面解释的发射过程中产生的每个光子与在能级，相位关系和频率上的其他光子相同。因此，发射过程给出单一波长的激光束。为了产生一束激光，必须使激光二极管的电流超过一定的阈值电平。低于阈值水平的电流迫使二极管表现为LED，发出非相干光。

高功率高波束质量的辐射源

较远测程(数百米以上)的二极管激光成像雷达对其辐射源的要求, 一是具有足够高的输出功率, 二是具有足够窄的发射波束。目前商品化的二极管激光器虽可分别达到10W 的平均功率和衍射极限的波束质量, 但同一器件却难以同时满足这两项要求。一种可能的途径是采用面发射分布反馈(SEDFB)的二极管激光器阵列和微光学(MOC)准直技术。一个40 阵列, 采用微透镜组1.3cm ×10cm 孔径, 得到0.5 ～ 0.75mrad 发散度的10W 连续输出功率。当然, 为了实现这样的准直效果, 必须对微光学系统进行精心设计加工, 使其达到1μm 的绝对准直精度, 采用激光辅助化学腐蚀工艺制造微光学系统, 可以满足这一要求。在具体设计时, 必须对孔径尺寸, 波束发散度和输出功率进行合理的折衷。

高灵敏度接收技术

在电路和光学系统一定的条件下, 接收机的灵敏度通常用信噪比带宽积来衡量, 主要取决于探测器的灵敏度和探测方式。从理论上讲, 外差接收可以有效地抑制接收机电路的噪声, 使接收机的灵敏度接近量子极限, 因而比直接探测更优越。然而对于实际的工程设计, 还必须考虑应用背景、技术难度、复杂性、体积、质量和成本等因素, 以实现系统综合性能的优化。综合考虑信噪比, 准直精度要求, 战场环境适应性、复杂性、可靠性以及成本因素, 在中等接收信号功率条件下, 应优选APD 直接探测体制。采用总带宽大, 每一通道带宽窄的匹配滤波器的设计和接收信噪比控制技术, 使APD 处于最佳工作状态等对提高灵敏度也很重要的。

高性能二维扫描技术

激光成像防撞雷达通常要求具有大的扫描覆盖范围(36°×60°), 成像速率高(1 帧/s 以上), 图像失真小(扫描线性范围大), 而且对扫描机构的体积和质量均有严格的限制, 必须研制高速率、大范围、高精度和线性好的高性能小型化的扫描器。通常采用多面体转鼓和振镜体制, 但其在线性范围、体积和质量方面均存在一定的问题。

图像处理和目标识别算法

激光成像技术的主要功能是通过成像发现和跟踪目标, 识别其特征, 判别其种类, 甚至还具有选择攻击点, 评估攻击效果等功能。在气象预报的测量和环境监测中对污染物的测量位置波动变化状况都表明, 实时高分辨成像和特征识别是项关键技术。

高速单板机、单片机和算法的发展, 使这一问题得以解决, 并已有多种图像处理和目标识别的算法, 如目标轮廓算法和三维目标算法。前者包括以中值滤波为主的处理算法和基于判断规则的分类算法, 后者主要有中值滤波、滚动修正、标高变换等构成的处理器算法。近来, 目标标高和局部标高的算法在数字地图、云高及污染物团高度的假彩色编码图中有重要地位。分类算法包括表面积计算、转动计算和瞄准点计算等算法。这些算法比较简单,可以满足一般目标识别和分类的要求, 用笔记本式多媒体计算机即可操作。另外一种适用的算法是知识源基础算法。一些新的更复杂的算法也在研究之中, 例如以匹配滤波技术为基础的相关算法,以多维滤波器组为基础的实现多频率数据关联和相关的自适应多维处理算法, 以及基于工程的模型算法和基于函数基集的子波结构等, 尤其是人工神经网络技术的引入, 将大大提高复杂背景中自动分离、分类和识别目标的能力。

Airyscan超高分辨率显微技术，紫色二极管激光器，谱线405 nm；蓝色Ar激光器，谱线含458 nm、488 nm、514 nm；绿色HeNe激光器，谱线543 nm； 红色HeNe激光器，谱线633 nm。

固体激光雷达半导体二极管激光成像雷达

半导体二极管激光器以其体积小, 质量轻, 坚固可靠, 高效率(可达30 %), 高重复频率和潜在的低成本, 以及可采用非制冷高灵敏度APD 探测器的特点, 成为小型激光雷达的优选光源。80 年代中期以后, 随着二极管激光器在提高输出功率, 改进光束质量和方向性以及降低探测器阈值等方面取得的重大进展, 国际上开始发展二极管激光雷达。其应用背景主要是巡航导弹下视雷达和武装直升机前视电线防撞, 近距战术武器精确制导等。

1985 年年底, 美国空军怀特(Wright)实验室开始了一项研究计划, 以确定二极管激光雷达作为制导传感器的可行性。Schw artz 光电公司研制了独有的目标识别和分类算法的实时二极管成像激光雷达系统。1989 年在塔上试验获得成功。1990 年作飞行试验, 试验中激光发射器采用二极管阵列, 其发射功率为120W , 作用距离为500m , 视场为4°×10°, 图像帧频30Hz , 试验结果实时显示一个三维距离彩色图像和一个灰度级反射率图像, 显示中还包括目标瞄准点的位置, 目标分类和目标距离。机载二极管激光成像避障雷达的研制也取得了很大进展。法国Thomson-TRT 公司研制了HOWARD 激光雷达系统, 用于直升机障碍物告警。采用二极管激光器作发射源, 发射脉冲峰值功率为100W , 重复频率为20kHz , 采用双光楔玫瑰线扫描, 扫描视场为30°×30°, 探测距离为200 ～400m 。美国Northrop 公司研制的直升机防撞告警系统(OASYS)二极管激光成像雷达系统 , 采用圆周平移扫描, 发射脉冲能量为8μJ , 重复频率为64kHz , 视场为25°×50°, 对2 .5cm 电力线的成像距离大于400m 。

80 年代, 半导体激光雷达原理实用化研究取得较大进展。1990 年美国公布了巡航导弹的调幅连续波相位测距红外激光测高仪的专利(465.764),以下视测高为主, 可兼前视测距。1987年德国专利(3606337)和1989 年德国专利(3901040)都介绍了连续波激光测高仪。1991 年和1992 年美国国防部明确提出了近程(3～10km)半导体相干激光成像雷达的发展计划。1991 年进行了前视和下视的挂飞试验, 验证了直升机测障回避, 1994 年和1995 年验证了机载下视测高。目前, 美国林肯实验室、休斯公司等机构也都在发展二极管激光主动成像雷达。二极管激光成像雷达的最大缺点是输出功率低(约几百瓦量级), 作用距离近, 束散宽,故要求用大尺寸光学系统来减小束散。这对要求远距离成像的战术应用带来困难, 因此, 在一个时期内还需作许多工作才能满足要求。

固体激光雷达二极管泵浦固体激光成像雷达

80 年代后期, 随着二极管泵浦固体激光器(DPL)的发展, 固体激光器大大提高了效率和重复频率, 克服了热效应等缺点, 实现单模稳定运转, 高稳频, 高功率, 高效率和高光束质量, 并使器件向小型化发展。正是由于固体激光器本身的优点和近几年来固体激光技术的重大突破, 固体激光雷达在成像, 远程目标跟踪和识别等领域呈现出巨大的发展潜力。美国率先进行了二极管泵浦固体激光制导技术的研究。90 年代初期, 美国Hercules 防御中心成功研制一台用于战场监视的1.32μm 固体激光成像雷达, 采用光栅扫描成距离像。该发射系统采用了连续波激光二极管泵浦Q 开关Nd :YLF激光器, 输出峰值功率为2kW , 发散角为0 .5mrad ,光束直径为5mm 。接收机天线直径为48mm ,焦距为2 .5mm ,光斑尺寸为0 .25mrad 。激光雷达使用InGaAs 雪崩二极管探测器, 噪声等效功率NEP =0 .8 ×10-8W , 最小可探测信号功率MDP =1 .5 ×10-7W , 完成了距离成像的实验, 距离分辨率为0 .25m , 最大距离为2km 。与此同时, 美国Fibertek公司研制用于直升机防撞的样机, 激光波长为1.54μm , 脉冲重复频率为15kHz , 脉冲能量为100μJ , 脉冲宽度为5ns , 扫描方式采用圆周平移扫描, 已在直升机上进行了两次试验。对要求中等以上功率的应用而言, 二极管激光泵浦固体激光主动成像雷达有很大的应用前景 。这种固体激光主动成像雷达有输出功率高、脉冲重复频率高、体积小、质量轻、可靠性高等优点。另外应用可调谐固体激光器和倍频固体激光的波长可调, 又开辟了许多新的应用领域。虽然DPL 激光成像雷达的发展历史还很短, 但其发展潜力是不容置疑的.