一种便携式米散射激光测云雷达发射机的设计及测试

半导体激光器以其体积小、重量轻、成本低、驱动方便等明显优势,应用领域已经推广到激光探测,尤其是基于米散射理论的大气探测.根据小型化激光测云雷达大气探测的应用需求,选择了相应技术指标的半导体激光器模块,并为其设计了驱动电路(主要包括由同步计数器等构成的触发脉冲形成电路和由电压跟随器构成的激光脉宽/功率调节控制电路),解决了窄脉冲形成电路中常见的毛刺问题.在5kHz的重复频率下,对激光发射机的性能做了验证.结果表明,触发脉冲成型良好、频率稳定,激光发射脉冲半高宽度35～100ns线性可调、平均功率0～110mW线性可调,发射电路工作情况良好.     

二极管泵浦固体激光器脉冲宽度的优化设计

文章通过对激光调Q的理论分析,推导了二极管泵浦激光器脉冲宽度的理论计算公式,求出了脉冲宽度与激光晶体的直径、受激发射截面、腔长的关系,简化了二极管泵浦激光器的设计.     

人眼安全相干多普勒测风激光雷达全光纤单频激光器

为了满足近距离相干测风激光雷达对激光发射源的需求,采用种子源振荡-放大(MOPA)的工作方式,对小型化、全光纤、高重复频率、窄线宽并处于人眼安全工作波段的激光雷达用单频脉冲激光器进行了研究.实现激光输出波长1542.4 nm,重复频率10 kHz,脉冲宽度500 ns,线宽1 MHz,平均输出功率50 mW,峰值功率10 W,单脉冲能量5μJ.该激光器可作为近距离相干激光雷达发射源.     

一种脉宽可调的窄脉冲激光器驱动电路设计

针对半导体激光器中纳秒级脉宽的驱动电路脉冲宽度范围小、无法调节的问题,提出一种脉宽可调的窄脉冲激光器驱动电路设计方案.根据现场可编程逻辑门阵列(FPGA)技术和半导体激光的工作原理,搭建了半导体激光驱动电路的一般模型,并进行了仿真与实验分析.以FPGA开发板为控制核心,使用高速金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)驱动芯片DE375作为开关,实现驱动电源及半导体激光器的精密控制.该电路输出的脉冲电流幅值可达40A,脉冲宽度为5～200 ns,重复频率为0～50 kHz,上升沿宽度小于5 ns,有效增强了半导体激光器驱动电路的功能.     

实用的LD抽运预激光电光调Q单纵模激光器

使用设计新颖的双台阶脉冲发生器产生双台阶电脉冲 ,为低压KTP晶体泡克耳斯盒提供调Q驱动 ,将端面抛光的Nd∶YLF棒置于激光腔中 ,采用二极管激光器抽运 ,通过调节第二台阶电脉冲的幅度和持续时间 ,利用预激光和标准具效应的选模特性实现了Nd∶YLF激光器稳定、低同步晃动的单脉冲、单纵模脉冲输出。脉冲宽度 6 7ns,脉冲能量 1 15 6mJ,峰值功率 0 17MW ,单纵模几率 10 0 % ,单脉冲能量稳定度 3% ,调Q触发电脉冲和输出激光脉冲相对时间抖动 <4ns。激光器外围电路简单 ,系统可靠性高 ,结构简单紧凑 ,容易调整     

微脉冲激光雷达A/D卡同步触发的设计与实现

在微脉冲激光雷达对能见度的测量系统中，常采用光子计数和模／数(A／D)转换两种处理方法进行对比测量，但微脉冲激光器没有Q开关，不能输出与激光脉冲同步的信号，来触发A／D卡采集大气会波信号．本文以高频管和高速单稳触发电路解决了该问题，使整形后的TTL信号的触发沿(上升沿)与激光脉冲的延时相盖50ns，可将测量系统的盲区控制在10m以内．     

基于FPGA脉宽可调的窄脉冲激光器驱动电路设计

针对激光驱动电路纳秒脉冲宽度无法调节的问题,设计了一种新型的脉宽可调的窄脉冲激光驱动电路。利用FPGA和激光二极管的工作原理,设计并搭建半导体激光器驱动电路。电路采用高速MOSFET作为开关器件驱动激光二极管SPLPL90-3,并利用LTspice仿真软件分析激光驱动电路中电源电压、储能电容和阻尼电阻对驱动脉冲的影响,最终选择最佳的电路参数。当电源电压为150 V,储能电容为1 nF,阻尼电阻为2Ω时,最终输出激光二极管的电流为39.7 A,脉冲宽度6 ns,上升沿3 ns,满足了大电流纳秒脉冲半导体激光器驱动电路的设计要求。     

高功率窄脉冲激光发射电路分析

激光发射电路是激光近炸引信系统的重要组成部分,其技术指标直接影响整个激光引信系统的工作性能.实现激光的高功率、窄脉冲是提高激光引信系统作用距离、动态探测精度和抗云雾干扰能力的重要手段.但是,由于受激光器、驱动电路分布参数和工艺技术的影响,当激光脉冲宽度窄到一定程度时,激光脉冲峰值功率明显下降,要实现小体积的高功率、窄脉冲激光发射将面临许多实际问题.针对这一现象,从理论上对激光发射电路进行了分析,通过PSPICE软件仿真提出问题的所在,即激光器的寄生电感和放电回路杂散参数的存在严重影响了激光脉冲前沿速度和峰值功率.从驱动电路设计、元器件和激光器的选择与电路板布局布线出发,给出了相应的解决方法.     

基于法布里-珀罗干涉仪的脉冲激光谱型测量

脉冲激光谱型是大气风温探测激光雷达的重要参数之一,它的精确测量能够为激光雷达风温反演提供科学有效的数据。由于激光的重复频率通常为几十赫兹(重复周期为几十毫秒),而脉冲激光宽度仅为几纳秒,因此脉冲激光的线宽测量比连续激光困难得多。构造了一套基于法布里-珀罗干涉仪、窄脉冲信号门积分平均器、模数采样器等的脉冲激光谱型测量系统,并利用该系统完成了钠层风温激光雷达脉冲激光线宽的测量。利用该系统测量出该脉冲激光器的输出线宽约为123 MHz,与国外的测量结果120 MHz基本一致。该系统可搭载于激光雷达上用于实时监测激光谱型,能为确保测风激光雷达的精度和稳定性提供技术支撑。     

准连续LD侧面泵浦的Nd:YAG双制式脉冲激光器

报道了采用5个峰值功率为100 W的准连续激光器二极管侧面泵浦Nd:YAG棒,通过泵浦电流触发铌酸锂品体加压式Q开关,实现宽脉冲和窄脉冲交替输出的双制式脉冲激光.当泵浦能量为239 mJ、重复频率为40 Hz、泵浦脉宽500 μs时,获得长脉冲、窄脉冲交替输出的双制式脉冲激光,其中长脉冲、窄脉冲输出能量分别为33.5 mJ和18.3 mJ、脉冲宽度分别为480 μs和10 ns,光光转换效率分别为14%和7.7%.     

激光测云雷达信号分析

分析了用于测云的最佳激光雷达波段,给出了计算雷达方程所需的大气分子和气溶胶消光系数的垂直廓线模拟图,以及在小孔光阑存在的情况下同轴透射式测云激光雷达的几何重叠因子模拟图,使用拟定的大气探测激光雷达技术参数进行回波信号及其信噪比的模拟计算,分析脉冲发射能量、脉冲发射次数、滤光片半宽等对信噪比不同程度的影响.这对分析测云激光雷达的探测性能具有基本的意义,同时也为测云激光雷达技术参数的确定提供了理论上的分析依据.     

宽脉冲光子计数偏振激光雷达探测浅水层研究（特邀）

由于受激光脉冲宽度的限制,传统激光雷达无法实现几十厘米的浅水层测量。设计了一个双Gm-APD光子计数偏振激光雷达系统,采用宽脉冲获取薄浅水层的高精度距离像。浅水层的表面光滑,能够保偏;底面粗糙,将发生退偏。根据该偏振现象,通过发射水平线偏振光,接收系统中采用一个偏振分光棱镜将前后表面信号光分离,然后分别被两个Gm-APD探测。该系统不受信号光的脉冲宽度限制,并充分利用Gm-APD的死时间机制,针对超薄浅水层实现三维深度测量。利用基于穆勒矩阵和斯托克斯参量表示的偏振传输原理,理论分析了双Gm-APD偏振激光雷达的分光原理。采用信号复原质心算法抑制距离漂移误差获取高精度距离信息。对于深度从4.5cm变化到8 cm渐变的薄浅水层,底面覆盖了黑、白沙子,探测距离为5 m,在实验上采用6 ns激光脉冲获取了薄浅水层的高精度距离像,测距精度为0.8 cm,有效验证了方案的可行性。该方案能够为机载海洋测绘激光雷达的浅水层测量提供一定借鉴。     

陶瓷多通道折叠射频波导稳频脉冲CO2激光器研究

为了研究可用于红外激光外差成像雷达、由腔倒空脉冲工作模式的主振激光器和处于连续工作模式的本振激光器组成的射频波导稳频脉冲 CO2激光器,采用输出端腔外准折叠和主、本振全反射端共用同一块原刻闪耀光栅的方法,分别缩短了器件的长度和提高了主、本振激光器的外差频率稳定性。通过调节CdTe调制器上的高压脉冲下降沿时间,可以使主振得到宽脉冲的腔倒空激光输出,本振通过插入压电陶瓷来实现系统的外差中频信号的偏频锁定。主振在腔倒空模式下工作重频可达到70kHz,得到脉冲峰值功率达到2.5kW（脉宽约为30ns）、主本振外差中频（120MHz）频率漂移在短期内小于1MHz 的结果。结果表明,研制的激光系统可以满足外差成像雷达系统的特殊要求。     

脉宽可控的腔倒空射频波导CO2激光器

为了得到脉宽可控的腔倒空射频波导CO2激光器,采用了在陶瓷板上直接开波导槽的方法,构成了多通道Z折叠主本振激光器结构,并在主振波导进行CdTe电光晶体腔内调Q。在理论上计算了加载在CdTe上的高压脉冲下降时间的长短对腔倒空激光脉冲宽度的影响,并通过对高压脉冲电源等效负载参数的调整,得到了脉冲宽度可控的高重频腔倒空激光脉冲。在20kHz,40kHz,65kHz及70kHz的重频工作下,得到了半峰全宽约30ns、峰值功率在2kW以上的腔倒空激光脉冲。结果表明,这种新型腔倒空射频波导CO2激光器满足激光外差成像雷达系统参数要求。     

固体激光器弛豫振荡尖峰脉冲参数的影响因素分析

利用固体激光器的弛豫振荡的尖峰脉冲特性,设计制作了一个窄脉宽、高重复频率的脉冲激光器。其方法是通过调节脉冲电流源的电流脉冲宽度,在固体激光器刚发出第一个尖峰脉冲时即关断泵浦电流。在实验中,对影响其尖峰脉冲参数的因素进行了探索,得出了尖峰脉冲的峰值功率、脉冲宽度与泵浦电流、腔长、输出镜透过率的关系,并从原理上对其进行了定性的分析和解释。基于实验及分析得到的结果,通过调整激光器的参数,设计出的脉冲激光器峰值功率能达到8W,脉宽能达到10 ns,重复频率可以达到百kHz的量级。文中的实验和分析结果对于固体激光器弛豫振荡的尖峰脉冲特性的理论认识及利用固体激光器弛豫振荡特性来设计脉冲激光器的参数设计都具有一定的指导意义。     

增益调制非扫描激光雷达测距精度的理论分析

非扫描成像激光雷达是激光雷达重要发展方向之一.介绍了增益调制型非扫描激光雷达系统的成像原理.根据该激光雷达的成像原理可以得出,脉冲宽度和背景光积累将会对激光雷达的测距精度产生较大影响.分析了脉冲宽度、回波展宽以及背景光会对距离精度产生的影响.在考虑脉冲宽度和背景光积累,忽略其他噪声和目标表面粗糙度的情况下,对大气传输和目标对回波脉冲展宽的影响进行了分析,对增益调制型非扫描激光雷达在不同的系统及目标参数情况下的回波波形和测距精度进行了仿真计算,为系统性能参数的选择和距离图像的后续处理提供了理论依据.     

采用小孔等离子体开关实现TE CO2激光窄脉冲整形

典型的TE CO2激光脉冲,通常由高功率窄脉冲（100 ns）和低功率长拖尾部分（3~5 s）组成。采用一种简单的小孔等离子体开关技术可以实现对低功率长拖尾部分的有效吸收和散射,保留需要的高功率窄脉冲前沿部分,达到激光脉冲压缩和整形目的。详细研究了小孔位于不同离焦距离时整形激光脉冲波形的变化,获得了整形激光脉宽、能量与离焦距离的变化关系,实现了50~110 ns的窄脉冲CO2激光输出。进一步研究发现,小孔等离子体开关的使用寿命主要由激光脉冲能量、重复频率、整形脉冲宽度决定。通过该技术实现的窄脉冲CO2激光可以用于极紫外光刻等离子体光源、激光雷达等领域的研究。     

无扫描激光雷达距离选通同步控制电路的设计

无扫描激光雷达距离选通成像系统中同步控制装置的研究设计是系统的关键技术之一,直接关系到能否实现距离选通,能否得到目标的选通图像。在成像系统对同步控制装置的性能要求基础上,论文基于复杂可编程逻辑器件CPLD实现了脉冲激光器与选通ICCD摄像机的同步工作。通过VHDL语言设计出了具有纳秒量级的距离选通同步控制电路。此电路可以方便地进行脉冲宽度和延迟时间的选择,从而提高系统的成像质量和作用距离。     

一种主被动激光雷达系统设计及应用

为综合利用激光雷达的光学接收天线,设计了一种可工作于主动状态和被动状态的光学遥感测量系统。处于主动状态时,主振荡激光器辐射1 064 nm 的激光脉冲,经倍频输出523 nm 激光,泵浦罗丹明染料,实现调谐脉冲输出,脉冲最高频率10 Hz,脉冲宽度为3. 0 ns,染料激光器输出脉冲能量可达105 mJ,主振荡输出激光脉冲可达1. 08 J。处于被动状态时,利用大气透过的太阳光谱,选取2 个波长的光谱线,采用比例光谱技术,根据激光雷达光学天线接收的太阳光谱强度,反演大气中反应性气体的柱浓度,再计算体积浓度。系统用于测量SO2 和O3 ,应用结果表明此系统的测量数据与国家相关测量平台数据非常吻合。     

2 μm固体激光器的注入锁定

为了获得满足2 μm相干多普勒激光雷达使用的激光光源,进行了注入锁定固体激光器的实验研究。种子激光器采用双端镀腔膜的Tm,Ho:YLF微片晶体,在低温液氮环境下,获得单纵模稳频激光输出。从激光器采用有利于单纵模运转的环形腔结构,并利用熔融石英声光调Q获得脉冲输出。通过注入锁定,实验获得激光输出波长为2.067 μm,在重复频率大于20 Hz时,激光器的最终单脉冲输出能量2 mJ,脉冲宽度为146 ns。实验论证了注入锁定系统激光器作为雷达光源的可行性,并理论分析了种子注入时环形腔内的初始光场分布。