1　引　　言

近年来，随着空中远程作战能力的提升，对于机载光电探测系统提出了超视距对空、对地探测的作战需求^［1］，其中远程小目标激光测距技术是亟待解决的关键技术之一。远程测距技术中，单光子激光测距是一种建立在统计理论基础上，探测灵敏度达单光子量级的光电探测技术，测距光源采用高重复频率、低脉冲能量的激光器。单光子测距技术在航空航天领域具有广阔的发展前景，国内外科研机构均进行了大量的研究工作，美国航空航天局（NASA）于2011年研制的A-LISTS机载雷达系统采用0.1 mJ@10 kHz，脉宽为0.96 ns的激光器作为光源，达到了10 km的测程^［2］；并且在2018年发射了ICESat-2卫星，其搭载的ATLAS激光高度计采用波长为532 nm，0.9 mJ@10 kHz，脉宽为1.5 ns激光器作为光源^［3］。国内也有一些科研院所进行了研究^［4-7］，2019年，中国科学院上海天文台研制了重复频率为4 kHz的卫星激光测距（SLR）系统采用0.75 mJ@4 kHz激光光源，用于卫星测距^［4］。目前，国内外单光子测距的主要研究成果集中于人卫测距、星载测距等航天领域，也有中近程机载测距雷达采用此技术，但远程机载单光子测距研究较少，且高重复频率激光器用作机载测距光源存在热稳定性差、收发光轴不稳定、受背景光噪声影响大、体积受限、功耗高等亟待解决的问题。

本文设计了一种适用于机载环境的小型化、高重复频率、窄线宽的激光器，可用作机载远程单光子测距机光源。激光器采用主振荡功率放大（MOPA）构型，在满足机载环境对体积、功耗要求的同时，抑制了背景光噪声和激光器热效应。并使用蒙特卡罗方法建立了单光子测距回波信号模型，对测距系统精度进行了仿真，为提高机载百km测距系统的测距精度提供了理论依据。

2　基本原理

2.1　测距原理

受大气衰减、目标形状等影响，探测器接收的小信号回波光子数^［8］为

式中：Et为激光单脉冲能量；ηt为发射光学系统透过率；ηr为接收光学系统透过率；ηq为探测器量子效率；ρ为目标漫发射系数；AT为目标有效反射面积；Ar为接收光学系统面积；θ为激光发射系统光轴与目标法线夹角；Ta为大气单程透过率；hv为单个光子能量（h为普朗克常量，v为光子频率）；Ωt为发射立体角；R为目标距离。

由（1）式可知，在其他参量不变的条件下，测距测程提高到百km以上，回波光子数减少，为达到探测器可探测的最小光子数，应提高激光发射能量，减小激光发散角。

将目标看作朗伯散射面，目标完全在接收视场内，到达探测器的背景噪声光子数^［9］为

式中：Hλ为太阳光谱辐射照度；Nλ为大气散射的太阳光谱辐射亮度；α为太阳射线和目标表面法线夹角；φ为目标表面法线与接收光轴夹角；θr为接收视场角；dr为接收物镜直径；Δλ为窄带滤光片光谱带宽。

由（2）式可知，接收系统的光谱带宽越窄，噪声光子数越小，因此通过设计窄线宽激光器，使其光谱中心与接收系统窄带滤光片相匹配，就可以抑制背景光噪声。

2.2　激光器设计依据

通过上述分析可知，远程单光子测距系统的光源需满足大能量、小发散角、窄线宽等要求。为了保证所需能量，激光器采用MOPA构型设计，即激光器由种子源和激光放大器组成，其组成框图如图1所示。

图 1. 激光器组成框图

Fig. 1. Diagram of laser composition

下载图片 查看所有图片

种子源激光器可以获得高重复频率、低脉冲能量、高光束质量的激光。反射式布拉格光栅（RBG）具有优异的波长选择性，可对衍射中心波长进行高效反射，将其作为种子源激光器的耦合输出镜可以压窄线宽。种子源激光器采用半导体激光器（LD）光纤耦合端面泵浦的设计可以获得高光束质量种子光。设计耦合系统需要考虑泵浦光与基模高斯光束的耦合效率。基模高斯光束的主要特征参量为^［10］

式中：RM、ωM为参考平面处等相位面的曲率半径与光斑尺寸；ABCD为傍轴光束在腔内往返矩阵的元素。根据谐振腔具体几何结构计算腔内往返矩阵，代入（3）~（6）式即可计算腔内激光光斑半径，结果如图2所示，腔内光斑半径为250~270 μm。

图 2. 种子源激光器腔内激光光斑半径

Fig. 2. Laser spot radius in the seed source laser cavity

下载图片 查看所有图片

激光放大器用于提升激光输出能量，考虑到机载环境下体积条件受限，采用单级多程放大结构。相对于棒状或微片等其他放大器结构，部分端面泵浦板条（innoslab）放大器通过大面冷却方式，使温度梯度呈一维分布，来抑制热退偏效应，改善光束质量，且种子光多次在增益介质内往返，可以有效提高激光器能效，获得高脉冲能量输出。

3　研究内容

3.1　种子源激光器的设计

种子源激光器采用LD光纤耦合端面泵浦方案，谐振腔采用平平直腔结构，腔长为60 mm，装置如图3所示。

图 3. LD端面泵浦Nd∶YVO₄种子源激光器装置图

Fig. 3. Experimental setup of LD end-pumped Nd∶YVO₄ seed source laser

下载图片 查看所有图片

其中激光二极管阵列（LDA）中心波长为808 nm，最高连续输出功率为15 W，采用光纤耦合输出，光纤芯径为200 μm，数值孔径NA=0.22。光束耦合系统首先通过一个短焦距透镜M1准直泵浦光束，再经由一个球面透镜M2和一个非球面镜M3进行耦合聚焦，放大倍率为1∶3，晶体端面泵浦光斑半径约为300 μm，可实现基模光束与泵浦光模式匹配^［11］。激光工作物质为3 mm×3 mm×（2+10）mm Nd∶YVO₄键合晶体，Nd³⁺掺杂原子数分数为0.5%，未掺杂晶体可作为热沉，从而减缓热致退偏和热透镜效应，改善Nd∶YVO₄晶体低热导率的影响，同时提高晶体抗损伤性能。激光晶体包裹铟箔装夹在热沉中，通过风冷和半导体制冷（TEC）进行温控。采用微型声光Q开关，调制频率为10 kHz。腔镜M4镀膜为高反（HR）1064 nm+高透（HT）808 nm，耦合输出镜（OC）用RBG代替，中心波长为1064 nm，光谱带宽为0.035 nm，衍射效率为75%。

3.2　放大器的设计

放大器采用innoslab构型，其构型设计图如图4所示。首先种子源激光注入，经由两个半波片（HWP）和光隔离器（ISO）进行光束隔离，再通过球面凸透镜（FXY）、柱面凸透镜FY1、柱面凹透镜FY2进行光束整形，进入innoslab薄板条工作物质。放大器LD阵列由4个bar条组成，中心波长为808 nm，额定输出功率为400 W。泵浦光耦合系统分为四个部分：泵浦光经由柱面镜组1慢轴会聚进入光波导，在光波导中进行光束匀化，通过柱面镜组2慢轴发散，最后经由一个聚焦镜在工作物质端面形成0.4 mm×10 mm的矩形光斑。板条上下两个面通过水冷散热，尺寸为14 mm×10 mm×1 mm。放大器输出椭圆形光斑，X/Y轴两个方向发散角不一致，后端还需要对输出光束进行整形。

图 4. Innoslab放大器构型图

Fig. 4. Innoslab amplifier configuration diagram

下载图片 查看所有图片

3.3　实验结果及分析

使用Gentec-EO功率计测量种子源激光器输出特性，结果如图5（a）所示。由于工作物质的有效体积有限，随着泵浦能量的增大，输出激光脉冲平均功率逐渐增大并趋于饱和。在泵浦电流为3 A、抽运光功率为4.5 W、重复频率为10 kHz的条件下，获得脉冲平均功率为2 W，光光转换效率为44.4%。

图 5. 激光输出特性。（a）输出能量及效率；（b）脉宽

Fig. 5. Laser output characteristics. (a) Output power and efficiency; (b) pulse width

下载图片 查看所有图片

使用New Focus 1623型纳秒探测器以及TELEDYNE LECROY的64MXs-B型示波器测量激光脉冲波形，示波器带宽为600 MHz。如图5（b）所示，在重复频率为10 kHz输出条件下，获得激光输出的脉冲宽度为6.132 ns。

采用YOKOGAWA光谱分析仪对激光输出线宽进行测量，如图6所示，图6（a）为RBG作耦合输出镜的激光输出，中心波长为1064.2 nm，线宽为0.035 nm，图6（b）为透过率为70%的普通输出镜线宽图，中心波长为1064.1 nm，线宽为0.099 nm。

图 6. 激光输出线宽。（a）RBG；（b）70%输出镜

Fig. 6. Laser output line width. (a) RBG; (b) 70% output mirror

下载图片 查看所有图片

采用Spiricon公司激光光束质量分析仪对激光输出光斑进行测量，测量结果如图7所示，激光器输出光束质量Mx2=1.303，My2=1.271，发散角约为1.5 mrad。

图 7. 输出光束质量

Fig. 7. Output beam quality

下载图片 查看所有图片

4　远程激光测距系统仿真分析

在机载单光子测距中激光器性能是一项重要指标，但影响测距效果的因素很多，测距精度也不仅仅取决于激光器。在其他条件不变的情况下，采用蒙特卡罗方法建立回波信号模型^［12］，分析激光器对测距系统性能的影响。

不考虑目标形状对回波信号波形的影响，对百km处目标的探测回波光子数进行仿真，得到结果如图8所示，图中展示了不同脉宽、不同窄带滤光片线宽、不同叠加次数的探测信号。采用参数：重复频率为10 kHz、波长为1064.2 nm的激光器，单脉冲回波光子数为2，积分时间为0.2 s，时区长度为0.4 ns，窄带滤光片中心波长为1064.2 nm，探测器抖动时间为0.3 ns，噪声频率为12.2 MHz，目标运动速度为3 Ma（1 Ma=340 m/s）。分析回波波形图可知，随着叠加次数的增加，信号波形更加明显，更容易识别目标所在位置；随着激光脉宽的增加，对应回波波形也发生展宽，探测灵敏度下降，测距精度降低；随着窄带滤光片线宽的减小，激光背景噪声的影响也逐渐降低。

图 8. 探测器响应光子数图

Fig. 8. Number of photons responded by the detector

下载图片 查看所有图片

由于窄带滤光片线宽为半峰值处宽度，为使激光器线宽为0.035 nm的激光输出处于窄带的最大透过率处，测距接收系统采用线宽为0.2 nm的窄带滤光片，相比于现阶段机载激光测距系统使用的线宽为5 nm的窄带滤光片，预计可将背景噪声对接收系统的影响降低25倍。

由上述仿真可知，在其他测距条件不变的情况下，提高激光器性能可以减少激光抖动对精度的影响，同时，较窄的线宽输出可以采用相匹配的窄带滤光片来减少背景噪声干扰，从而提高测距精度。

5　结　　论

本文提出一种适用于机载环境的小型化、高重复频率、窄线宽、高光束质量的激光器。在重复频率为10 kHz的条件下，种子源激光器采用微型声光Q开关和体布拉格光栅，获得的激光脉宽为6.32 ns、线宽为0.035 nm，光束质量良好，Mx2=1.303，My2=1.271，光光转换效率为44.4%。同时设计了innoslab构型的放大器，具有良好的热效应，可以实现高功率输出。最后，采用蒙特卡罗方法建立单光子测距回波信号模型，分析了激光器对测距性能的优化效果。

本文所设计的激光器结构紧凑、热稳定性强、受背景光噪声影响小，可适配于百km机载单光子激光测距仪光源。