位超杰，閆仁鵬*，李旭東，孟祥熙，劉欣陽(yáng)

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧（氣體）激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150080；2.蒙古正元有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南250101；3.山東正元數(shù)字城市建設(shè)有限公司，山東 煙臺(tái)264000）

1 引 言

激光雷達(dá)（Light detection and ranging，Li?dar），即激光探測(cè)及測(cè)距技術(shù)，通過(guò)發(fā)射激光脈沖、接收回波信號(hào)來(lái)探測(cè)目標(biāo)的位置、速度和組分等信息。激光器持續(xù)向探測(cè)空間發(fā)射激光脈沖，激光光束經(jīng)過(guò)目標(biāo)散射的回波被接收望遠(yuǎn)鏡接收，通過(guò)分析飛行時(shí)間來(lái)確定激光雷達(dá)到目標(biāo)之間的距離［1-2］。測(cè)量距離的精度與發(fā)射激光脈沖的時(shí)間寬度有關(guān)，對(duì)于幾十公里的遠(yuǎn)距離探測(cè)，亞納秒脈沖的測(cè)距精度可達(dá)到厘米級(jí)。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(cè)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(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的高精度三維成像。2018年，美國(guó)宇航局成功發(fā)射了“冰、云和陸地高程”2號(hào)衛(wèi)星（Ice，Cloud，and Land Elevation Satellite-2，ICESat-2），用于測(cè)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(cè)體制的微脈沖激光雷達(dá)，利用10 kHz亞納秒激光實(shí)現(xiàn)了500 km軌道高度條件下厘米量級(jí)的測(cè)距精度［6］。與此同時(shí)，為滿(mǎn)足三維激光雷達(dá)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(guò)控制激光諧振腔振蕩縱模間的相位關(guān)系，可以實(shí)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(duì)于固態(tài)晶體或染料激光介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)皮秒或飛秒量級(jí)的脈沖激光輸出?；诔堂}沖光源的激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)毫米量級(jí)的測(cè)距精度，但是其工作重復(fù)頻率由諧振腔長(zhǎng)度決定，通常在兆赫茲量級(jí)，需要外加調(diào)制器進(jìn)行脈沖選取才能實(shí)現(xiàn)千赫茲、窄脈寬激光，系統(tǒng)相對(duì)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(guò)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(shí)間內(nèi)釋放，輸出納秒量級(jí)窄脈沖寬度的激光輸出，在激光雷達(dá)和激光加工等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值［8-9］。本文基于調(diào)Q工作的基本理論，對(duì)比討論不同方法的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合激光雷達(dá)的應(yīng)用需求對(duì)亞納秒固體激光器的發(fā)展進(jìn)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(guò)程中的自發(fā)輻射，調(diào)Q激光脈沖寬度的表達(dá)式為：

式中：Sp是表征脈沖波形的數(shù)字，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可得Sp=0.86；N0為開(kāi)始產(chǎn)生脈沖時(shí)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(zhǎng)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(guò)程有關(guān)，腔損耗系數(shù)過(guò)大，不利于上能級(jí)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(huì)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(duì)γo求導(dǎo)，得到最窄脈沖寬度的表達(dá)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(dá)式如下：

式中：Pabs為晶體吸收的泵浦功率；νp為泵浦波長(zhǎng)；h為普朗克常數(shù)；rm為泵浦光場(chǎng)半徑；tp為泵浦時(shí)間；τ為粒子上能級(jí)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(chǔ)能（στ）、泵浦模場(chǎng)體積和諧振腔有效長(zhǎng)度等因素有關(guān)。此外，實(shí)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(kāi)關(guān)速度有關(guān)。對(duì)于三維激光雷達(dá)系統(tǒng)中常用的Nd∶YAG激光器，輸出脈沖寬度最窄可以達(dá)到5 ns左右［12-13］。因此，可以選擇儲(chǔ)能大的激光晶體［14-15］、開(kāi)關(guān)時(shí)間短的調(diào)Q器件［16］，還可以通過(guò)微腔結(jié)構(gòu)、提高儲(chǔ)能等方式實(shí)現(xiàn)亞納秒脈沖激光。

3 亞納秒激光器研究進(jìn)展

3.1 被動(dòng)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(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。與主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)相比，被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)不需要外界控制或驅(qū)動(dòng)，有效提高了激光器的緊湊性和可靠性。被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)依靠可飽和吸收體的非線(xiàn)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(shí)釋放，產(chǎn)生大能量、窄脈寬的激光脈沖。通過(guò)控制諧振腔長(zhǎng)度，被動(dòng)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(dá)到幾百毫焦，峰值功率可以達(dá)到兆瓦量級(jí)。此外，被動(dòng)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(dòng)影響，易于實(shí)現(xiàn)單頻輸出等特點(diǎn)。以上這些優(yōu)點(diǎn)使被動(dòng)調(diào)Q微片激光器成為三維成像激光雷達(dá)發(fā)展的重要支撐。

圖2 被動(dòng)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(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的Zayhowski等人對(duì)半導(dǎo)體激光器（Laser Diode，LD）泵浦微片激光器進(jìn)行了大量的研究［18］。圖3為微沖寬度約為200 ps被動(dòng)調(diào)Q微片激光器及其放大系統(tǒng)。重復(fù)頻率為10 kHz時(shí)，最大脈沖能量最大達(dá)到210μJ，重復(fù)頻率小于2.5 kHz時(shí)，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(diǎn)，美國(guó)宇航局采用微片激光器作為光源進(jìn)行地球-衛(wèi)星間測(cè)距，測(cè)距精度達(dá)到厘米量級(jí)［21-22］。

圖3 被動(dòng)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(jí)輸出能量小，如何在提升放大能力的同時(shí)有效控制放大級(jí)的熱效應(yīng)成為不可避免的問(wèn)題。2009年，意大利帕維亞大學(xué)的Agnesi等人報(bào)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(jí)選用Nd∶YAG/Cr4+∶YAG復(fù)合晶體作為被動(dòng)調(diào)Q元件，在約7 mm長(zhǎng)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(guò)LD側(cè)面抽運(yùn)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(dá)到了13%。該激光器放大級(jí)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(dòng)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(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，單晶光纖、平片波導(dǎo)等取代塊晶體作為放大級(jí)增益介質(zhì)的方案也成為研究重點(diǎn)。2011年，法國(guó)巴黎十一大學(xué)的Martial等人報(bào)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(duì)脈寬470 ps、重頻1 kHz、能量80μJ的種子激光進(jìn)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(jí)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(jì)利用亞納秒激光脈沖，可獲取精細(xì)的地面高程信息［25］。2012年，美國(guó)宇航局的Yu等人開(kāi)發(fā)出一種高效率的Yb∶YAG被動(dòng)調(diào)Q微片MOPA激光器，以支持激光雷達(dá)表面地形（Lidar Surface Topography，LIST）探測(cè)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(xiàn)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(zhǎng)為1 030.2 nm，光譜寬度為17 pm。其放大級(jí)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(dòng)調(diào)Q激光器。諧振腔長(zhǎng)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(dá)10 W，脈寬816 ps，線(xiàn)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(dòng)調(diào)Q技術(shù)相比，主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)可以利用調(diào)制元件實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖頻率的主動(dòng)控制。近年來(lái)，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(qiáng)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(zhǎng)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(guò)率為70%時(shí)，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(dòng)調(diào)Q激光器類(lèi)似，具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，但由于電光晶體的壓電振鈴效應(yīng)，難以實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率工作。較短的介質(zhì)長(zhǎng)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(guó)Fibertek公司的Edwards等人報(bào)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(jí)采用879 nm泵浦電光調(diào)QNd∶YVO4晶體，振蕩級(jí)輸出脈沖激光經(jīng)過(guò)一級(jí)預(yù)放大和一級(jí)主放大，采用2塊Nd∶YVO4晶體作為主放大，倍頻采用非線(xiàn)性系數(shù)較高的LBO晶體，實(shí)現(xiàn)了滿(mǎn)足星載激光高度計(jì)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(xiàn)性偏振度為100∶1。該激光器的振蕩級(jí)采用L型折疊腔以消除未吸收泵浦光對(duì)調(diào)Q晶體穩(wěn)定性的影響，并且利用VBG作為輸出鏡實(shí)現(xiàn)了單頻激光輸出和頻率調(diào)諧。2018年，美國(guó)宇航局發(fā)射的ICESat 2號(hào)衛(wèi)星的三維測(cè)距激光雷達(dá)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(jìn)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(zhǎng)激光器，如圖9所示［31］。該激光器基于MOPA方案，主振蕩級(jí)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(guò)LD泵浦Nd∶YVO4級(jí)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(duì)種子光進(jìn)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(lèi)似地，2020年哈爾濱工業(yè)大學(xué)周益平等報(bào)道了一種主振蕩+預(yù)防大+二級(jí)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(jí)后能量達(dá)到400 μJ，能充分提取側(cè)泵模塊放大級(jí)能量，得到47.1 mJ的脈沖激光。

圖9 Nd∶YVO4電光調(diào)Q、級(jí)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(guò)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(duì)于常見(jiàn)的PRM調(diào)Q方法，激光器的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換成光子能量和諧振腔釋放能量的過(guò)程同時(shí)發(fā)生，受到增益強(qiáng)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(chǔ)能轉(zhuǎn)換成光子和激光輸出過(guò)程分離，脈沖輸出過(guò)程的持續(xù)時(shí)間為光子往返時(shí)間，其理論輸出脈寬僅與諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度有關(guān)，遠(yuǎn)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(bào)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(jí)是LD端面泵浦主動(dòng)電光腔倒空調(diào)QNd∶YAG激光器，諧振腔為折疊腔，幾何長(zhǎng)度約為40 mm，普克爾盒的開(kāi)關(guān)時(shí)間約為8 ns。振蕩級(jí)輸出為1 k Hz，900 ps，1.9 mJ的激光脈沖。經(jīng)過(guò)三級(jí)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(shí)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(chǔ)能以及Nd∶YAG晶體良好的熱機(jī)械性能等特點(diǎn)，不經(jīng)放大就可以達(dá)到mJ級(jí)的高重頻脈沖，但輸出脈沖寬度主要依賴(lài)于電光Q的開(kāi)關(guān)時(shí)間，對(duì)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(wú)腔結(jié)構(gòu)亞納秒激光器

基于對(duì)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(shí)現(xiàn)高亮度、準(zhǔn)相干光束輸出［36］，這種激光器被稱(chēng)為無(wú)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(bào)道了一種毫焦級(jí)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(duì)正交RTP晶體作為調(diào)Q元件，諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度為55 mm。在1 k Hz的重復(fù)頻率下，振蕩級(jí)激光的單脈沖能量達(dá)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(shí)間。經(jīng)過(guò)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(jī)制，該激光器的輸出譜線(xiàn)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(diǎn)是在高增益的狀態(tài)下，輸出脈沖持續(xù)時(shí)間能接近單次往返時(shí)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(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(diǎn)，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(xiàn)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(bào)道了一種被動(dòng)式亞納秒脈沖光纖激光器［41］，如圖13所示，實(shí)現(xiàn)了輸出脈寬小于1 ns、重復(fù)頻率隨抽運(yùn)功率線(xiàn)性增長(zhǎng)的寬譜激光輸出。該方案的特點(diǎn)是通過(guò)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(lèi)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?zhàn)饔?。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(dòng)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(yáng)等報(bào)道了一種基于WS2可飽和吸收體的窄線(xiàn)寬脈沖光纖激光器［42］，獲得了脈沖寬度為171 ps的窄線(xiàn)寬超短脈沖輸出。但這種依賴(lài)于腔長(zhǎng)和光纖種類(lèi)的調(diào)節(jié)方式來(lái)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(lái)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(dòng)電路的電脈沖信號(hào)，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(jí)放大器才能達(dá)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(bào)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(dòng)的半導(dǎo)體激光器、兩級(jí)前置放大器和主放大器組成。該激光器的優(yōu)點(diǎn)是在前置放大器中選擇了稍長(zhǎng)的增益光纖，增益峰紅移到1 064 nm，通過(guò)重吸收降低了放大自發(fā)輻射，凈化了頻譜，同時(shí)又利用吸收系數(shù)大的高摻雜YDF將基本光纖長(zhǎng)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(duì)比

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外亞納秒激光器的研究進(jìn)展可知，基于被動(dòng)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(shí)現(xiàn)單模輸出等特點(diǎn)，并已應(yīng)用在機(jī)載、星載等激光雷達(dá)系統(tǒng)中［44-45］。由于被動(dòng)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(guò)嚴(yán)格的參量設(shè)計(jì)才能實(shí)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(duì)較低。

與被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)相比，主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)可實(shí)現(xiàn)精確時(shí)序控制，對(duì)于激光雷達(dá)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(shí)現(xiàn)窄線(xiàn)寬單頻激光，對(duì)Q開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間也有較高的要求，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。

無(wú)腔結(jié)構(gòu)激光器存在的線(xiàn)寬大、光纖結(jié)構(gòu)激光器存在的峰值功率低等問(wèn)題都限制了系統(tǒng)在激光雷達(dá)領(lǐng)域的進(jìn)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(shí)間［46］，需要對(duì)脈沖激光放大器進(jìn)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(cè)技術(shù)的發(fā)展將激光測(cè)距系統(tǒng)的靈敏度提高到了單光子量級(jí)，突破了傳統(tǒng)線(xiàn)性光電探測(cè)所能達(dá)到的極限距離，激光雷達(dá)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(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，綜合近年來(lái)亞納秒激光器的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，研究重點(diǎn)已經(jīng)由亞納秒激光的產(chǎn)生方法轉(zhuǎn)換到滿(mǎn)足應(yīng)用需求的亞納秒激光系統(tǒng)上。未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向：一是針對(duì)亞納秒激光放大器提取效率低的問(wèn)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(hào)驅(qū)動(dòng)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(xiàn)性效應(yīng)的影響，改善系統(tǒng)的緊湊性和可靠性。