杏彩体育:详解激光雷达中脉冲激光器技术原理与成本竞争分析

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　　⚫实现脉冲激光输出的方式主要有三种：调Q技术、锁模技术、种子源+MOPA结构。调Q和锁模的区别主要是调Q脉冲激光器只能输出纳秒级别的脉冲，而锁模脉冲激光器能够输出皮秒至飞秒级别的脉冲（即超快激光器）。

　　MOPA结构脉冲激光器（窄脉宽脉冲光纤激光器）通常使用直接脉冲调制的半导体激光器作为种子源，然后以光纤功率放大器进行光脉冲放大实现高功率输出。

　　市场方面，杰普特脉冲光纤激光器产品均为MOPA结构，锐科激光、创鑫激光产品则以调Q结构为主（MOPA占比均不到5%）。

　　过去五年，三家激光器厂商的脉冲激光器业务营收和销量均大幅增长，且价格比较稳定（过去四年杰普特MOPA激光器年均降幅约为5%，创鑫激光和锐科激光声光调Q脉冲激光器年均降幅约为15%），同时在产品结构升级、规模效应、原材料价格下降、零部件国产替代、自制率提升等多重因素使得成本下降的情况下，毛利率水平在过去三年间持续攀升。

　　截至2018年底，杰普特、锐科激光、创鑫激光脉冲激光器业务毛利率分别为37.4%、32.8%、38.0%。然而2018年下半年至今，市场竞争激烈，锐科激光毛利率大幅下滑。

　　脉冲激光器的核心零部件和连续激光器相似，共同部分包括泵浦源、有源光纤、无源光纤、光纤光栅、合束器、电源、机械件等。除了通用部件，脉冲激光器中独有的零部件主要是隔离器和调制器。

　　调Q脉冲光纤激光器中只使用1个输出隔离器，MOPA脉冲光纤激光器结构中除了1个输出隔离器以外，还有至少2个以上在线隔离器。声光调Q激光器中还需配臵声光调制器。

　　根据激光输出时域特性的不同，可以将光纤激光器分为脉冲光纤激光器和连续光纤激光器。脉冲激光器是指单个激光脉冲宽度小于0.25秒、每间隔一定时间才工作一次的激光器。

　　脉冲光纤激光器的主要特点是峰值功率很高，但平均功率一般较低，主要应用于激光打标、雕刻、测距等领域。

　　（１）利用电光／声光或其他器件通过调Ｑ、锁模等方式实现激光脉冲输出，其优点是可调范围较宽，不同的材料调Ｑ脉冲宽度可以从纳秒到飞秒，缺点是效率较低、工艺复杂和成本高。

　　（２）直接增益调制技术，即通过电路对泵浦源进行脉冲调制实现激光器的脉冲输出。该方式具有结构简单、无需脉冲调制光器件等优点，但是难以实现窄脉宽高重复频率的激光输出。

　　（３）将直接脉冲调制的半导体激光器输出功率放大，从而实现较大的脉冲功率输出。该方式具有结构简单、调制速度快、脉冲宽度和重复频率可调范围宽及适用范围广等优点，但由于其种子源输出功率较小，需通过级联放大的方式获得较高功率的激光脉冲输出。

　　调Q和锁模是得到脉冲激光的两种最常用的技术，二者的区别主要是调Q脉冲激光器只能输出纳秒级别的脉冲，而锁模脉冲激光器能够输出皮秒至飞秒级别的脉冲（即超快激光器）。

　　MOPA则是将窄线宽的小功率种子光进行放大，实现较高的脉冲能量和平均功率的激光输出的一种结构，而非生成脉冲激光的技术。但是通过MOPA结构将直接脉冲调制的半导体激光器作为种子源进行放大，也可以实现脉冲输出（即前文的第三种方式）。

　　调Q技术也叫做Q开关技术，是一种获得高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的技术。Q是指品质因数，体现的是光学谐振腔质量的优劣，可以理解为损耗越小，Q越高；损耗越大，Q越低。

　　调Q技术的工作原理如下：在光泵浦初期设法将谐振腔的Q值调低，使谐振腔首先具有较大的损耗，从而抑制激光振荡的产生，使工作物质上能量粒子数得到积累。随着光泵的继续激励，上能级粒子数逐渐积累到最大值。

　　此时突然降低损耗（提高Q值），那么积累在上能级的大量粒子便雪崩式地跃迁到激光下能级，在极短的时间内将储存的能量释放出来，从而获得峰值功率极高的激光脉冲输出。

　　调Q光纤激光器是在谐振腔内插入Q开关器件，通过周期性改变腔损耗，实现调Q脉冲激光输出。根据调Q元件所采用的介质及其工作方式的不同，调Q激光器可分为电光调Q、声光调Q、可饱和吸收调Q与机械转镜调Q四类。其中，电光调Q和声光调Q是目前应用较为广泛的调Q技术。

　　电光调Q（EOM）是利用某些晶体所具有的线性电光效应实现Q值突变的，具有开关时间短、效率高、调Q时刻可以精确控制、系统工作稳定、重复频率高、输出脉宽窄（10~20ns）、峰值功率高（几十兆瓦以上）等优点。

　　在激光器里面新添加的器件是偏振片和电光晶体，然后通过周期控制电光晶体，使得其偏振方向与前面偏振片方向周期性转变：平行或者垂直——当偏振片平行时，光全部通过；偏振片垂直时，光全部拦截。

　　声光调Q（AOM）是利用激光通过声光介质中的超声场时发生衍射效应，造成光束的偏折来控制谐振腔的损耗，从而实现Q值突变的。它具有性能稳定、重复频率高（1~20kHz）、调制电压低（一般

　　电光调Q或声光调Q都是人为地利用光通过在电场或声波场作用下的电光或声光介质所发生的各种物理效应，从而控制腔内的反射损耗来实现Q值突变的，是一种主动式的调Q方法。

　　而可饱和吸收调Q技术，则是利用可饱和吸收体本身的吸收特性（即它是一种非线性吸收介质，在比较强的激光作用下，它的吸收系数会随光强的增加而逐渐减小直至饱和，对光呈现出透明的特性），通过控制腔内的吸收损耗来调节Q值的，是一种被动式的调Q方法，它具有结构简单、方便实用的特点。

　　调Q光纤激光器因其光束质量好、转换效率高、峰值功率高、单脉冲能量高以及脉宽窄等优点，在激光打标、激光清洗、激光测距、激光雷达、非线性频率转换和光时域反射计等领域有重要应用。

　　1、激光打标：激光打标是调Q光纤激光器最早期的应用，也是目前最成熟的应用。激光打标主要是通过高峰值功率的窄脉冲激光将加工件表面的材料去除达到标记物品的效果，因为是非接触式加工且加工脉宽很窄，所以做到了标记加工件而没有损坏加工物品。

　　2、激光清洗：激光清洗是近几年调Q光纤激光器的一种重要应用。激光清洗是使用高能量的激光束照射在物品表面的污染物，使污染物发生振动、汽化、蒸发、燃烧等一系列复杂的物理化学过程，从而达到去除表面污染物的一种清洗方法。

　　3、激光雷达：激光雷达用激光脉冲作为辐射源，辐射到目标上，接受反射回的激光，然后测量激光往返的时间，用光在介质中的速度乘以往返时间即可得到目标距离。由于激光的波长短和脉宽窄的特点，所以激光雷达的测量精度、抗干扰能力、测量效率和测量分辨能力远超普通的微波雷达。

　　利用调Q光纤激光器可以获得纳秒级别的脉冲，但受腔长和调Q器件等条件的限制，已无法进一步压窄脉宽。

　　锁模作为一种新的压缩脉宽的途径，又被称为超短脉冲技术，是产生超短脉冲（fs-ps）的主要手段。顾名思义，锁模就是锁定激光器的模式。锁模激光器工作原理是通过一定的锁模器件，将满足起振条件的各个纵模的相对相位进行锁定，在时间坐标轴上来看，在某些时刻上，所有的振荡模式都同时到达振幅最大的位臵，相干叠加形成周期性的、强度极大提高的超短脉冲序列，从而使激光器在时间上周期性地输出脉冲序列。通过这种方法，可以将脉冲宽度压缩到皮秒量级，甚至到亚飞秒量级，功率达到10^9W量级。

　　一般来说，锁模光纤激光器基本结构中包括了泵浦源、掺杂增益光纤、激光谐振腔和锁模器件几个主要部分。与连续光光纤激光器相比，锁模激光器最大的不同就是使用了锁模器件，可以实现脉冲激光输出。锁模器件是锁模光纤激光器实现脉冲输出的最为关键器件。

　　激光器中脉冲的形成就是依靠锁模器件实现的，其性能决定了脉冲的宽度、幅度、脉冲形状等一系列特性。根据锁模方式的不同，锁模器件的的种类和作用方式也不相同。

　　锁模激光器根据锁模机制可以分成主动锁模、被动锁模、自锁模、同步泵浦锁模和碰撞锁模等多种形式。

　　主动锁模：主动锁模在腔内加入主动调制器，如电光或声光调制器，通过外部电信号对激光振幅或相位进行周期性调制，并且调制频率精确等于整数倍的腔内脉冲的重复频率，从而使得所有参与振荡的纵模具有相同的初始相位，于是形成锁模脉冲序列。

　　主动调制锁模的特点是输出重复频率很高，通常可以实现GHz以上的重复频率，而且重复频率、输出波长可以调谐。但是，主动锁模方式需要在谐振腔内插入主动调制器件，成本比较昂贵，而且激光器结构复杂，稳定性有很大问题，并且这种锁模方式通常只能获得皮秒脉冲输出，具有比较大的局限性。目前获得高性能的超短脉冲主要方式是被动锁模的技术。

　　被动锁模是在激光器腔内加入被动锁模器件，例如可饱和吸收体，或者利用非线性效应使光纤激光器腔等效成一个可饱和吸收体，使脉冲在通过锁模器件时，功率最大的峰值位臵处的损耗最小，而功率较低的前后沿的损耗较大。在多次循环后，并且满足激光起振条件时，形成稳定的超短脉冲并输出。基于被动锁模的方式，可以实现飞秒量级的超短脉冲输出。

　　可饱和吸收体锁模，是最早实现的一种被动锁模技术。饱和吸收的作用提供了一种脉冲窄化的机制，当光脉冲经过吸收体时，脉冲边缘较弱的部分被吸收，而脉冲中心较强的部分保留下来，这样就获得了更窄的脉冲。在激光器运行的初始状态，腔内产生的是随

　　机起伏的光信号，由于可饱和吸收体的存在，比较弱的光信号被吸收，剩余的部分在腔内运转经过在腔内的不断被放大，形成比较强的脉冲，可饱和吸收体提供的脉冲窄化机制和腔内的色散以及非线性效应共同作用，最终实现锁模脉冲。

　　可饱和吸收体锁模的方式十分有效，但是由于需要在腔内插入吸收体锁模器件，很难实现全光纤的结构。另一种8字腔光纤激光器利用非线性光纤环形镜，可以实现全光纤的激光器。

　　这种激光器的锁模原理是：光脉冲经过腔内的耦合器时，被分为两部分，它们的强度一般不相同，以相反地方向在腔内传输。在传输的过程中，两个信号在腔内走过不同的路径，一路信号在腔内先后被放大，另一路信号，在走完整个环路时才被放大，两路光信号在腔内积累的非线性相移不同。

　　由于非线性效应是与强度相关的，因此两路信号的相位差也不是固定值，而是随着脉冲的不同位臵发生改变。通过合理设臵，可以使脉冲的中心部分透过耦合器，脉冲的两侧由于功率较。