Topographic Laser Ranging and Scanning_Principles and Processing——第一章 1.5

1.5激光基础知识

激光的英文LASER是light amplification by stimulated emission of radiation的缩写，其本质就是一种能在外部能量激发下产生并发射出光束或脉冲的光学装置，激发的光束単色性好（monochromatic radiation），相干性高且方向性强。

一般来说，激光通常是根据用作辐射源材料的类型来分类的。最常见的分类包括：气体激光器，固态激光器激光，还有半导体激光器。其他较少使用的类型是液体激光、染料激光器、准分子激光器等。通常用于测绘目的的激光器需要很高的能量等级，并且对距离测量以及准直度等要求都比较高，大多采用的是固态或者是半导体激光器。

 

1.5.1激光器的组成

所有的激光器都是由三个主要单元组成：

1、第一个是激发材料，能够激发激光的材料包含着能够在外部能量激发下跃迁到更高能量等级的原子，这类材料包括用于测绘、扫描等应用的固态晶体材料solid-state crystalline material，例如 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）和一种半导体材料——砷化镓（gallium arsenide (GaAs).）。

2、第二个是激发激光的能量，他提供了激光激发及持续工作的能源，对于激光激发的持续供能，通常被描述为“泵激”（Pumping）激光，例如包括高强度放电灯或者是激光二极管，这些都用于固态激光。另外一种形式是在使用半导体激光器的情况下，需要持续的外部电源供电。

3、第三部分是两种类型的镜子，一种是全反射镜，能够将入射激光完全反射，另一种是半反射镜，也就是部分反射能力的镜面。

 

1.5.2 固态材料

对于激光激发的材料，使用最广泛的就是掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG），这种固态晶体材料在上文中已经提到，通常采用的是圆柱形的形式，该材料的制作和生产过程极其复杂，所以成本相对较高。纯的YAG材料是无色透明的，当掺杂少量的Nd时（1%），晶体呈现出淡蓝色。Nd原子在其中扮演的是激射物的角色，玻璃是一种可以替代YAG材料的选择，事实上，掺有钕的玻璃（Nd：玻璃）已经被用于许多军事测距仪。玻璃是一种相对便宜的材料，可以很容易地加工成所需的形状（杆或盘）和尺寸。然而，使用玻璃作为基质（Matrix）的不足是耐热性差。因此，当使用掺有钕的玻璃（Nd：玻璃）激光器产生高能量的脉冲的时候，脉冲的重复率（repetition rate）就需要保持在比较低的频率，以保证不会温度超限。所以在较高的能量等级或者是较高的脉冲重复率情况下工作，该系统就需要额外的制冷系统，而与此同时Nd:YAG材料的激光器能够在1kw甚至更高的输出功率下工作，因为材料自身的耐热性更好。Nd:YAG柱的两端分别被制作成全反射的镜面和半反射的镜面，两个镜面分别提供不同的反射率。

    Nd:YAG材料的激光器在记载激光雷达上应用极为广泛。另一种应用规模相对较小的是 使用钇锂氟化锂（YLF）作为基质材料的激光器（employing

yttrium lithium fl uoride (YLF) as the matrix material），该材料掺如少量的Nd用以激发Nd：YLF激光。这种形式的激光器应用在了NASA的RASCAL机载扫描仪上。另一种用在NASA开发的机载扫描仪上的激光器类型是： 掺钕的钇钒酸盐（Nd:YVO4）激光器，与Nd:YAG激光器相比，这种所谓的“vanadate”激光器具有这样的优势：

它允许非常高的脉冲重复频率;但是他不能支持像Nd:YAG激光器一样使用调Q技术（也叫q开关技术，Q-switching）获得高的脉冲能量，这种激光器在Terrapoint ALTMS系统上被采用，该项目也是由NASA支持的机载激光雷达项目。

 

 

1.5.3 固态激光器的运行

 

激光的激发和持续可以由一个氙灯或者是氪放电管来实现，如图1.6所示，对于大部分的激光测距仪来说，上文中介绍的钕掺杂激光器的持续泵激，使用的是一个半导体二极管或者是二极管阵列，如图1.7所示，开始激光作用的所需要的最小的泵激功率成为激发阈值。当泵激开始的时刻，他会使大量的Nd原子进入到激发态，他们的电子从正常态提升到一个更高的不稳定的能级，当这些电子从更高的能级回到正常态的时候，他们会途径一个被称为亚稳状态（metastable state）中间能级。

 

 

图1.7

介绍了不同形式的钕掺杂激光器的设计，第一种是使用激光二极管阵列对laser rod进行持续激发，condenser是提供降温的冷凝器，end mirror是具有全反射能力的镜面，发射端是半反射镜面。b介绍的是激光二极管激发的形式。

 

通过对激发物质进行持续的泵激，大部分的电子会持续保留在亚稳状态，此时达到所谓的“ 粒子数反转”（ population inversion）。处于亚稳状态的电子会自发地以光子的形式发射能量，这种方式成为自发发射（ spontaneous emission），该过程如图1.8所示。然后，与最初被激发发射激光的原子相邻的其他原子也会被激发发射出具有相同频率和相位的光子，这个过程被称为受激发射（stimulated emission）。如此，由其他受激发的原子发射的同样的光子形成了辐射的放大。

在柱体中朝着半反射面行进的光子被发射出去，逆向行进的光子被全反射镜面反射回来，最终也是从半反射面发射出来。

在光子沿路径行进的过程中，和其他被激发的原子发出的光子一起形成了连续的流。新的光子和原始的光子的相位相同。总体上可以将这个现象设想或者描述为沿着柱体的轴向上，一系列的光子像潮汐一样上下起伏着前进。随着被激发的原子增多，这个流的振幅和强度也在增加。这个光束（或红外辐射）在强度上迅速增强，直到其以一个连续的光束或者是极短的、极强的且具有高度指向性的脉冲的形式发射出去。针对于Nd:YAG以及Nd:YVO4激光器，辐射的波长为1064nm，其他一些主要的发射波段有914nm和1342nm（对于Nd:YVO4,vanadate激光器），Nd:YLF激光器的发射波长为1046nm。

 

通过使用频率加倍技术（  frequency doubling techniques），将发射波长减半，以上介绍的激光器的发射波长可以分别达到531nm（Nd:YAG和N:YVO4）和523 nm（Nd:YLF），这是处于绿光波段的波长。 这是通过将脉冲传递到一个特殊的非线性晶体材料来实现的，例如 磷酸二氢钾（  potassium dihydrogen phosphate，KDP ）或者 磷酸钛酸钾（ potassium titanyl phosphate，KTP），他们是透明的并且具有特殊的晶体结构，并且齐具备的双折射特性（  bi-refringent properties ）是实现半波长所需要的。波长较短的激光器主要用于测深探测，因为波长较短能够更好地透过水。

 

在脉冲模式下工作的激光能够使用Q开关的技术（Q-switching）升高激光器的发射频率。这是一种特殊的快门延迟技术，通过延迟释放，实现发射脉冲能量的倍增，如图1.9所示。Q开关技术的一种实现方式是使用具有可切换的偏振滤滤光片的克尔透光盒（Kerr cell 克尔透光盒 ），另一种方式是采用一种吸光染料的形式（  light-absorbing dye），当能量达到一定等级的时候就会脱色，以此达到释放脉冲的目的。对于远距离测距的激光器而言，Q开关是一个必要的组成，能够满足几百公里的测距需求，通常Q开关激光器被装置于星载平台，可以满足10-250ns时间范围上的测距需求。

 

1.5.4 半导体材料

 

那些基于半导体材料的激光都显示了电的特性，这也是二极管的特点。因此将半导体激光器也称为二极管激光器（也叫激光二极管）。如上文所述，砷化镓（GaAs）是用于测距仪和扫描仪所使用的激光器的主要的半导体材料， 在适当的条件下，它们会发出强烈的光束或红外辐射脉冲。 简单半导体激光器的基本结构如图1.10所示， 它由半导体材料的不同层组成，金属导体连接在顶部和二极管的底部，使电力能够传递到材料中。 上半导体层含有杂质，导致电子的缺乏，留下了正的“空穴”。 这种材料被称为p（positive）型半导体。 较低的层含有杂质，导致多余的电子带有负电荷，所以这个部分被作为n（negative）型半导体。这种类型的激光器的激发机构夹在p和n两种类型的半导体之间。

 

1.5.5 半导体材料激光的运行

 

 

当被电流激发之后，电子会从从n边以及p边的空穴进入到pn连接区域，此二者混合在一起并且发生了粒子数反转，简言之就是，电子及空穴在电压的作用下朝向设定的方向移动， 因此，这种类型的激光器也被称为注射激光器，因为电子和空穴通过施加的电压注入到连接处。 电压是通过一个合适的电源连接到材料顶部和底部的两个电极之间产生的。这种情况下，泵激作用纯粹就是由电实现的。 如上所述，在p-n联合处原子会被更高的能量状态所激发，然后回到较低的状态，同时发出光子。沿着连接区域的光子会刺激更多的光子发射，所以

产生更多的辐射。通过简单地抛光材料的一端就可以起到半反射镜的作用，对于全反射的一端，通过覆盖一层金质薄膜，来保证100%的反射。通常砷化镓半导体激光器的辐射波长在835-840nm之间，处于近红外波段。另外一种相似材料 砷化镓铝（gallium aluminum arsenide ——GaAlAs）的发射波段范围覆盖更广，达到了670nm-830nm之间，这个可以通过电流的控制来实现。

 

虽然GaAs半导体激光器体积很小，但是他是一个很高效的装置，因为在活跃的GaAs材料当中有多达一般的电子能够产生光子输出，除了这种高效以外，他还能通过对供电系统的微小变化来控制功率输出。同时由于其他非测量领域的半导体的产量很大，导致其价格相对便宜，并且稳定节能。其自身的缺点是光谱纯净度较差，但是对于测距应用而言这一点并非至关重要，另一点是其发散角较大。 当在正常情况下以脉冲模式进行长距离测量时，半导体材料会达到相当高的温度。半导体激光器通常被用于较短距离上的连续波测量（非脉冲形式），在这种情况下，能够更容易地保持设备能够承受的功率损耗以及温度水平。 利用这种激光器连续波（CW）的运行，相位测量技术能够以比脉冲技术更高的频率（higher rate）进行距离测量。