二極管激光器

激光二極管本質(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管，按照P-N結(jié)材料是否相同，可以把激光二極管分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)（SH）、雙異質(zhì)結(jié)（DH）和量子阱（QW）激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)，是市場(chǎng)應(yīng)用的主流產(chǎn)品。作為元件材料，使用AlGaAs、InGaAlP、InGaN、ZnO等化合物半導(dǎo)體，由于LSI及Tr、Di等使用的Si躍遷概率（電流轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾母怕剩┹^差，因此不適用于激光二極管。

①波長(zhǎng)：即激光管工作波長(zhǎng)，可作光電開關(guān)用的激光管波長(zhǎng)有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

②閾值電流：即激光管開始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對(duì)一般小功率激光管而言，其值約在數(shù)十毫安，具有應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至10mA以下。

③工作電流：即激光管達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流，此值對(duì)于設(shè)計(jì)調(diào)試激光驅(qū)動(dòng)電路較重要。

④工作電壓：是發(fā)出規(guī)定的光輸出時(shí)需要的正向電壓。

⑤光輸出功率：最大允許的瞬時(shí)光學(xué)功率輸出。這適用于連續(xù)或脈沖操作模式。

⑥暗電流：光電二極管反向偏置時(shí)的泄漏電流。暗電流既取決于溫度又取決于電壓，理想的二極管/光電二極管在相反的方向上沒有電流。

激光二極管中的P-N結(jié)由兩個(gè)摻雜的砷化鎵層形成。它有兩個(gè)平端結(jié)構(gòu)，平行于一端鏡像（高度反射面）和一個(gè)部分反射。要發(fā)射的光的波長(zhǎng)與連接處的長(zhǎng)度正好相關(guān)。當(dāng)P-N結(jié)由外部電壓源正向偏置時(shí)，電子通過結(jié)而移動(dòng)，并像普通二極管那樣重新組合。當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)，光子被釋放。這些光子撞擊原子，導(dǎo)致更多的光子被釋放。隨著正向偏置電流的增加，更多的電子進(jìn)入耗盡區(qū)并導(dǎo)致更多的光子被發(fā)射。最終，在耗盡區(qū)內(nèi)隨機(jī)漂移的一些光子垂直照射反射表面，從而沿著它們的原始路徑反射回去。反射的光子再次從結(jié)的另一端反射回來。光子從一端到另一端的這種運(yùn)動(dòng)連續(xù)多次。在光子運(yùn)動(dòng)過程中，由于雪崩效應(yīng)，更多的原子會(huì)釋放更多的光子。這種反射和產(chǎn)生越來越多的光子的過程產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的激光束。在上面解釋的發(fā)射過程中產(chǎn)生的每個(gè)光子與在能級(jí)，相位關(guān)系和頻率上的其他光子相同。因此，發(fā)射過程給出單一波長(zhǎng)的激光束。為了產(chǎn)生一束激光，必須使激光二極管的電流超過一定的閾值電平。低于閾值水平的電流迫使二極管表現(xiàn)為L(zhǎng)ED，發(fā)出非相干光。

高功率高波束質(zhì)量的輻射源

較遠(yuǎn)測(cè)程(數(shù)百米以上)的二極管激光成像雷達(dá)對(duì)其輻射源的要求, 一是具有足夠高的輸出功率, 二是具有足夠窄的發(fā)射波束。目前商品化的二極管激光器雖可分別達(dá)到10W 的平均功率和衍射極限的波束質(zhì)量, 但同一器件卻難以同時(shí)滿足這兩項(xiàng)要求。一種可能的途徑是采用面發(fā)射分布反饋(SEDFB)的二極管激光器陣列和微光學(xué)(MOC)準(zhǔn)直技術(shù)。一個(gè)40 陣列, 采用微透鏡組1.3cm ×10cm 孔徑, 得到0.5 ～ 0.75mrad 發(fā)散度的10W 連續(xù)輸出功率。當(dāng)然, 為了實(shí)現(xiàn)這樣的準(zhǔn)直效果, 必須對(duì)微光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)加工, 使其達(dá)到1μm 的絕對(duì)準(zhǔn)直精度, 采用激光輔助化學(xué)腐蝕工藝制造微光學(xué)系統(tǒng), 可以滿足這一要求。在具體設(shè)計(jì)時(shí), 必須對(duì)孔徑尺寸, 波束發(fā)散度和輸出功率進(jìn)行合理的折衷。

高靈敏度接收技術(shù)

在電路和光學(xué)系統(tǒng)一定的條件下, 接收機(jī)的靈敏度通常用信噪比帶寬積來衡量, 主要取決于探測(cè)器的靈敏度和探測(cè)方式。從理論上講, 外差接收可以有效地抑制接收機(jī)電路的噪聲, 使接收機(jī)的靈敏度接近量子極限, 因而比直接探測(cè)更優(yōu)越。然而對(duì)于實(shí)際的工程設(shè)計(jì), 還必須考慮應(yīng)用背景、技術(shù)難度、復(fù)雜性、體積、質(zhì)量和成本等因素, 以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合性能的優(yōu)化。綜合考慮信噪比, 準(zhǔn)直精度要求, 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性、復(fù)雜性、可靠性以及成本因素, 在中等接收信號(hào)功率條件下, 應(yīng)優(yōu)選APD 直接探測(cè)體制。采用總帶寬大, 每一通道帶寬窄的匹配濾波器的設(shè)計(jì)和接收信噪比控制技術(shù), 使APD 處于最佳工作狀態(tài)等對(duì)提高靈敏度也很重要的。

高性能二維掃描技術(shù)

激光成像防撞雷達(dá)通常要求具有大的掃描覆蓋范圍(36°×60°), 成像速率高(1 幀/s 以上), 圖像失真小(掃描線性范圍大), 而且對(duì)掃描機(jī)構(gòu)的體積和質(zhì)量均有嚴(yán)格的限制, 必須研制高速率、大范圍、高精度和線性好的高性能小型化的掃描器。通常采用多面體轉(zhuǎn)鼓和振鏡體制, 但其在線性范圍、體積和質(zhì)量方面均存在一定的問題。

圖像處理和目標(biāo)識(shí)別算法

激光成像技術(shù)的主要功能是通過成像發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標(biāo), 識(shí)別其特征, 判別其種類, 甚至還具有選擇攻擊點(diǎn), 評(píng)估攻擊效果等功能。在氣象預(yù)報(bào)的測(cè)量和環(huán)境監(jiān)測(cè)中對(duì)污染物的測(cè)量位置波動(dòng)變化狀況都表明, 實(shí)時(shí)高分辨成像和特征識(shí)別是項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

高速單板機(jī)、單片機(jī)和算法的發(fā)展, 使這一問題得以解決, 并已有多種圖像處理和目標(biāo)識(shí)別的算法, 如目標(biāo)輪廓算法和三維目標(biāo)算法。前者包括以中值濾波為主的處理算法和基于判斷規(guī)則的分類算法, 后者主要有中值濾波、滾動(dòng)修正、標(biāo)高變換等構(gòu)成的處理器算法。近來, 目標(biāo)標(biāo)高和局部標(biāo)高的算法在數(shù)字地圖、云高及污染物團(tuán)高度的假彩色編碼圖中有重要地位。分類算法包括表面積計(jì)算、轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算和瞄準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算等算法。這些算法比較簡(jiǎn)單,可以滿足一般目標(biāo)識(shí)別和分類的要求, 用筆記本式多媒體計(jì)算機(jī)即可操作。另外一種適用的算法是知識(shí)源基礎(chǔ)算法。一些新的更復(fù)雜的算法也在研究之中, 例如以匹配濾波技術(shù)為基礎(chǔ)的相關(guān)算法,以多維濾波器組為基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)多頻率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和相關(guān)的自適應(yīng)多維處理算法, 以及基于工程的模型算法和基于函數(shù)基集的子波結(jié)構(gòu)等, 尤其是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入, 將大大提高復(fù)雜背景中自動(dòng)分離、分類和識(shí)別目標(biāo)的能力。

Airyscan超高分辨率顯微技術(shù)，紫色二極管激光器，譜線405 nm；藍(lán)色Ar激光器，譜線含458 nm、488 nm、514 nm；綠色HeNe激光器，譜線543 nm； 紅色HeNe激光器，譜線633 nm。

固體激光雷達(dá)半導(dǎo)體二極管激光成像雷達(dá)

半導(dǎo)體二極管激光器以其體積小, 質(zhì)量輕, 堅(jiān)固可靠, 高效率(可達(dá)30 %), 高重復(fù)頻率和潛在的低成本, 以及可采用非制冷高靈敏度APD 探測(cè)器的特點(diǎn), 成為小型激光雷達(dá)的優(yōu)選光源。80 年代中期以后, 隨著二極管激光器在提高輸出功率, 改進(jìn)光束質(zhì)量和方向性以及降低探測(cè)器閾值等方面取得的重大進(jìn)展, 國(guó)際上開始發(fā)展二極管激光雷達(dá)。其應(yīng)用背景主要是巡航導(dǎo)彈下視雷達(dá)和武裝直升機(jī)前視電線防撞, 近距戰(zhàn)術(shù)武器精確制導(dǎo)等。

1985 年年底, 美國(guó)空軍懷特(Wright)實(shí)驗(yàn)室開始了一項(xiàng)研究計(jì)劃, 以確定二極管激光雷達(dá)作為制導(dǎo)傳感器的可行性。Schw artz 光電公司研制了獨(dú)有的目標(biāo)識(shí)別和分類算法的實(shí)時(shí)二極管成像激光雷達(dá)系統(tǒng)。1989 年在塔上試驗(yàn)獲得成功。1990 年作飛行試驗(yàn), 試驗(yàn)中激光發(fā)射器采用二極管陣列, 其發(fā)射功率為120W , 作用距離為500m , 視場(chǎng)為4°×10°, 圖像幀頻30Hz , 試驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示一個(gè)三維距離彩色圖像和一個(gè)灰度級(jí)反射率圖像, 顯示中還包括目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)的位置, 目標(biāo)分類和目標(biāo)距離。機(jī)載二極管激光成像避障雷達(dá)的研制也取得了很大進(jìn)展。法國(guó)Thomson-TRT 公司研制了HOWARD 激光雷達(dá)系統(tǒng), 用于直升機(jī)障礙物告警。采用二極管激光器作發(fā)射源, 發(fā)射脈沖峰值功率為100W , 重復(fù)頻率為20kHz , 采用雙光楔玫瑰線掃描, 掃描視場(chǎng)為30°×30°, 探測(cè)距離為200 ～400m 。美國(guó)Northrop 公司研制的直升機(jī)防撞告警系統(tǒng)(OASYS)二極管激光成像雷達(dá)系統(tǒng) , 采用圓周平移掃描, 發(fā)射脈沖能量為8μJ , 重復(fù)頻率為64kHz , 視場(chǎng)為25°×50°, 對(duì)2 .5cm 電力線的成像距離大于400m 。

80 年代, 半導(dǎo)體激光雷達(dá)原理實(shí)用化研究取得較大進(jìn)展。1990 年美國(guó)公布了巡航導(dǎo)彈的調(diào)幅連續(xù)波相位測(cè)距紅外激光測(cè)高儀的專利(465.764),以下視測(cè)高為主, 可兼前視測(cè)距。1987年德國(guó)專利(3606337)和1989 年德國(guó)專利(3901040)都介紹了連續(xù)波激光測(cè)高儀。1991 年和1992 年美國(guó)國(guó)防部明確提出了近程(3～10km)半導(dǎo)體相干激光成像雷達(dá)的發(fā)展計(jì)劃。1991 年進(jìn)行了前視和下視的掛飛試驗(yàn), 驗(yàn)證了直升機(jī)測(cè)障回避, 1994 年和1995 年驗(yàn)證了機(jī)載下視測(cè)高。目前, 美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室、休斯公司等機(jī)構(gòu)也都在發(fā)展二極管激光主動(dòng)成像雷達(dá)。二極管激光成像雷達(dá)的最大缺點(diǎn)是輸出功率低(約幾百瓦量級(jí)), 作用距離近, 束散寬,故要求用大尺寸光學(xué)系統(tǒng)來減小束散。這對(duì)要求遠(yuǎn)距離成像的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用帶來困難, 因此, 在一個(gè)時(shí)期內(nèi)還需作許多工作才能滿足要求。

固體激光雷達(dá)二極管泵浦固體激光成像雷達(dá)

80 年代后期, 隨著二極管泵浦固體激光器(DPL)的發(fā)展, 固體激光器大大提高了效率和重復(fù)頻率, 克服了熱效應(yīng)等缺點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)單模穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn), 高穩(wěn)頻, 高功率, 高效率和高光束質(zhì)量, 并使器件向小型化發(fā)展。正是由于固體激光器本身的優(yōu)點(diǎn)和近幾年來固體激光技術(shù)的重大突破, 固體激光雷達(dá)在成像, 遠(yuǎn)程目標(biāo)跟蹤和識(shí)別等領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。美?guó)率先進(jìn)行了二極管泵浦固體激光制導(dǎo)技術(shù)的研究。90 年代初期, 美國(guó)Hercules 防御中心成功研制一臺(tái)用于戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視的1.32μm 固體激光成像雷達(dá), 采用光柵掃描成距離像。該發(fā)射系統(tǒng)采用了連續(xù)波激光二極管泵浦Q 開關(guān)Nd :YLF激光器, 輸出峰值功率為2kW , 發(fā)散角為0 .5mrad ,光束直徑為5mm 。接收機(jī)天線直徑為48mm ,焦距為2 .5mm ,光斑尺寸為0 .25mrad 。激光雷達(dá)使用InGaAs 雪崩二極管探測(cè)器, 噪聲等效功率NEP =0 .8 ×10-8W , 最小可探測(cè)信號(hào)功率MDP =1 .5 ×10-7W , 完成了距離成像的實(shí)驗(yàn), 距離分辨率為0 .25m , 最大距離為2km 。與此同時(shí), 美國(guó)Fibertek公司研制用于直升機(jī)防撞的樣機(jī), 激光波長(zhǎng)為1.54μm , 脈沖重復(fù)頻率為15kHz , 脈沖能量為100μJ , 脈沖寬度為5ns , 掃描方式采用圓周平移掃描, 已在直升機(jī)上進(jìn)行了兩次試驗(yàn)。對(duì)要求中等以上功率的應(yīng)用而言, 二極管激光泵浦固體激光主動(dòng)成像雷達(dá)有很大的應(yīng)用前景 。這種固體激光主動(dòng)成像雷達(dá)有輸出功率高、脈沖重復(fù)頻率高、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。另外應(yīng)用可調(diào)諧固體激光器和倍頻固體激光的波長(zhǎng)可調(diào), 又開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。雖然DPL 激光成像雷達(dá)的發(fā)展歷史還很短, 但其發(fā)展?jié)摿κ遣蝗葜靡傻?