在激光雷达名称的四个字中，激光占据了一半的分量，这足以说明其“家庭地位”。
究竟什么是激光、发射激光的激光器有哪些类型，激光器有哪些重要的参数，本文期望能够说清一二。
一、激光的诞生
激光Laser的英文全称为LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，直译过来就是受激辐射光放大，听起来有点别扭，但其实精确表达了激光产生的原理，而要讲清这个原理，就不得不从物资原子结构聊起。
19世纪末，科学家通过一系列粒子撞击试验后发现：原子是由原子核和绕核运动的电子组成，电子围绕原子核不停地旋转，同时原子核也不停地自转，原子核内部还可以细分为质子和中子，原子内部结构如图1所示。
图1原子内部结构
1913年，年仅28岁的丹麦物理学家波尔（NielsBohr）在借鉴了普朗克（MaxPlanck）的量子理论基础上提出了全新的原子结构模型，其基本假设主要包括：
（1）定态假设：电子在原子核库仑力作用下，只会在一些分立的特定圆形轨道运动，且不向外辐射光子，处于稳定的状态，这种状态被称为定态。
注：光子（Photon）是一种基本粒子，是电磁辐射的量子，其静止质量为零，不带电荷，其能量E为普朗克常h和电磁辐射频率f的乘积：E=hf，在真空中以光速运行。
（2）轨道假设：电子在不同的轨道上运动，能量是不同的，能量相对较高的为高能态，相对较低的为低能态。当电子处于离核最近的轨道上时，能量最低，称为基态，当电子处于其他轨道上时，都比基态能量高，称为激发态。
（3）跃迁假设：在不同定态之间跃迁，会辐射或吸收一定频率的光子，辐射或吸收光子的能量由这两个定态的能量差决定。
原子中处于高能态的电子，在没有任何外界光子作用下，有一定概率会自发地从高能态向低能态跃迁，损失的能量会以光子的形式辐射出来，这个过程称之为自发辐射，如图2所示。
图2自发辐射过程
不同原子自发辐射产生的光子在频率、相位、偏振方向及传播方向上具有随机性。白炽灯的工作原理就是基于自发辐射，通电后白炽灯灯丝中高能态电子数增多，频繁地发生自发辐射产生大量光子。
原子中处于低能态的电子，也不是吃素的，随时在观察身边是不是有外来光子经过，一旦有能量恰好等于两个能级之间能量差（E2-E1）的光子出现时，就会启动“吸星大法”，将光子的能量吸收过来，用来将自己提升到高能态，这一过程称为受激吸收，如图3所示。
图3受激吸收过程
原子中处于高能态的电子，在见到上述外来光子时，也不会无动于衷，并且在辐射场能量够大后，自己将向低能态跃迁并辐射出一个和外来光子具有相同频率、相位、偏振方向及传播方向的光子，听起来有点像私奔，这个过程称之为受激辐射，如图4所示。
图4受激辐射过程
这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子，这意味着光被放大了。到此为止，激光的直译解释中（受激辐射光放大）七个字已经悉数有序登场，但此时的光还不能称为激光。
首先，自然条件下，原子中处于高能态的电子数目总是比低能态的电子数目少，所以外来光子经过，你很难保证是被低能态电子吸收发生受激吸收，还是被高能态电子看上，发生受激辐射。如果想要原子内部产生更多的受激辐射过程，就需要外界提供能量打破热平衡，从而使高能态和低能态电子数出现反转。
为了实现这个过程，一是需要采用容易发生高低能态电子数反转现象的工作物质，这种物质被称为增益介质。二是需要对增益介质进行激励并提供让增益介质不断发生粒子数反转的能量源，被称为泵浦源。增益介质在泵浦源的激励下，发生粒子数反转，这是激光产生的前提条件。
其次，处于高能态电子也会发生自发辐射，更何况之前已经通过泵浦源人为的将低能态电子拉升到了高能态，这种自发辐射过程在没有人为干预情况下会更加强烈，因此我们要想办法让受激辐射远大于自发辐射，说白了就是要让增益大于损耗。
办法之一就是在增益介质前后两端加上两个反射镜，其中一端是全反射镜，另一端是部分反射镜，这一结构被称为谐振腔。当受激辐射发生后，方向合适的光子会在两个反射镜之间反复横跳，多次经过增益介质，使增益介质内部反复产生受激辐射，如图5所示。
图5激光器内部光学系统组成
当光束放大到可以穿透部分反射镜的阈值时，会从部分反射镜中透射出来，形成激光束。由于两面反射镜位于特定的方向，对于方向不合适的受激辐射光会被滤除。同时两镜面之间的距离也对输出的激光波长有着选择作用，只有在两镜间的距离能产生共振的波长才能产生激光。
因此我们看到穿透部分反射镜的激光束波长一致、方向一致、波束极窄，这也是谐振腔筛选的结果。
至此，一束激光算是真正诞生了。
二、激光器
增益介质、泵浦源和谐振腔是激光诞生所需要的主要光学系统，如果再辅以电源系统、控制系统和机械机构等，就可以组成一个利用受激辐射原理产生激光的完整激光器。
增益介质是光子产生的源泉，基于这个维度，激光器可分为气体、液体、固体三种类型，固体类型激光器又可细分为固体、光纤、混合、半导体等类型，如图6所示。应用在汽车领域的激光雷达，以半导体激光器和光纤激光器为主，下文我们对这两类激光器展开介绍。
图6激光器的分类
（1）半导体激光器
半导体激光器的前缀是半导体，所以要介绍清楚，不得不从半导体最基础的PN结说起。
P型半导体是通过在纯净半导体（不含杂质且无晶格缺陷的半导体）中掺杂特定杂质，让空穴（相当于带正电的粒子）数量增多。N型半导体也是如此操作，只是掺杂的杂质让电子（带负电的粒子）数量增多。空穴和电子被称为载流子。
如果将P型半导体和N型半导体制作在同一块半导体基片（硅或锗）上，一方面由于浓度差，P型区多子（空穴）会向N型区扩散，而N型区多子（电子）会向P型区扩散，形成载流子扩散运动。另一方面，滞留的带电离子（P区失去空穴产生负离子区，N区失去电子产生正离子区）形成的内电场，驱动P（N）型区的少子向低电势移动，形成反向的漂移运动，如图7所示。
图7PN结的形成
当扩散运动和漂移运动所迁移的载流子数目相同时，达到动态平衡，就形成一个PN结。PN结中载流子数量非常少的一个高电阻区域称为耗尽区。
如果给PN结施加一个正向电压（P型区接正极，N型区接负极），正向电压的电场与PN结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对扩散运动的阻碍作用。在外电场作用下，大量电子将被推向N区，其中一部分与空间电荷区正离子附近的空穴复合。大量空穴也会被推向P区，其中一部分与空间电荷区负离子附近的电子复合。载流子复合过程将会发射某种波长的光子，也就是发生了自发辐射。
随着正向电压上升，流经PN结的电流大于一个阈值时，自发辐射产生的光子通过半导体内已激发的电子-空穴对附近时，就能激励二者复合再产生一个新的光子，也就是发生了受激辐射，再加上谐振腔的反射，就能通过受激辐射加速光子的产生，从而产生激光。
但是要注意的是，并非所有半导体材料PN结发生载流子复合时都会产生光，有的半导体材料会将部分能量转化为热耗散掉而不产生光，这就会导致发光效率的降低，因此为了提高发光效率，通常使用带隙半导体作为发光材料，例如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等。
总结一下：半导体激光器就是指使用半导体材料作为增益介质，采用半导体工艺在半导体材料中构造出大量PN结，在泵浦源的激励下，PN结区域发生载流子复合从而发生受激辐射，受激辐射产生的光子在谐振腔的作用下最终生成一束激光。
半导体激光器使用的泵浦源主要有三种方式：电激励、电子束激励，光激励和碰撞电离激励等。绝大多数半导体激光器采用的是电激励，即给PN结加正向电压，以使在结平面区域产生受激辐射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为激光二极管。
半导体激光器具有效率高、体积小、寿命长、低能耗等优点，成为现代激光技术发展的重要基础，具有战略性的发展意义。其根据谐振腔制造工艺的不同可分为边缘发射激光器（EdgeEmittingLaser，EEL）和垂直腔面发射激光器（VerticalCavitySurfaceEmittingLaser，VCSEL）两种。
EEL是在芯片的两侧镀光学膜形成谐振腔，由于谐振腔与衬底（晶圆片）平行，因此EEL沿平行于衬底表面发射激光。
VCSEL是在芯片的上下两面镀光学膜，形成谐振腔，由于谐振腔与衬底垂直，能够实现垂直于芯片表面发射激光。
EEL和VCSEL的结构对比如图8所示。
图8EEL和VCSEL的结构对比
以VCSEL为例，详细介绍一下半导体激光器内部结构，VCSEL典型结构剖面如图9所示，从上往下依次为P型接触电极、上反射镜、上氧化限制层、有源区、下氧化限制层、下反射镜、衬底及N型接触电极。
图9VCSEL典型结构
有源层通常由3~5个量子阱（一种薄层结构，可以在垂直于薄层表面的方向上限制粒子）组成。有源区的两侧是氧化限制层，一方面起着限制载流子的作用，另一方面起着调节谐振腔长度的作用，使其谐振波长正好是所需要的激光波长。
限制层两侧是上下反射镜，通常采用N型和P型布拉格光栅（N-DBR/P-DBR）作为谐振器反射镜。N-DBR在下方作为全反射镜，反射率接近99.9%。P-DBR在上方作为部分反射镜，反射率也大于99%。
在衬底（N型砷化镓材料）和P-DBR的外表面制作接触电极，形成欧姆接触，并在P-DBR上制成一个圆形光窗口，获得圆形光束，窗口直径从几微米可到百微米量级。
工作时，电流从P型电极注入，通过氧化层注入到有源区，会在有源区形成受激辐射实现激光输出。激光的输出方向垂直于有源区表面，穿过限制层表面，从低反射率的P-DBR反射镜射出，最终稳定输出激光。
EEL和VCSEL的主要性能差异体现在功率密度、温漂系数、光束质量、光谱宽度和生产成本等方面，汇总如表1所示。
表1EEL和VCSEL主要性能参数对比
（a）功率密度。在激光领域，功率密度表示单位时间内，激光辐照在单位面积靶材上的能量大小，单位为W/mm^2。在其他条件相同的情况下，功率密度低意味着从被测物体表面反射回来的入射光功率低，这将导致探测距离短。
EEL的光功率密度一般是60000W/mm^2左右，而现在头部厂商生产的五结VCSEL功率密度也只有1500W/mm^2左右，相差一个数量级。
（b）光束发散角。激光器发射出去的激光具有一定的发散角，发散角直接决定激光打到被测物体表面的光斑面积，从而影响了激光打在被测物体上的光功率密度，最终影响从被测物体表面反射回探测器表面的入射光功率。在其他条件相同的条件下，若发散角减小50%，则激光雷达探测距离将提升41%。
VCSEL打在物体上的光斑呈点圆形，远场发散角典型值在20°左右。EEL打在物体上的光斑呈椭圆形，慢轴远场发散角典型值在20°左右，远场发散角典型值在30°左右，因此VCSEL具有相对较小的远场发散角，如图10所示。
图10EEL和VCSEL远场发散角对比
这样的发散角大小其实都是不可接受的，都需要准直镜和扩束镜，来减小激光的发散角。
（c）光谱宽度。由于滤光片在接收激光时需要过滤掉特定波长（905nm/1550nm）以外的光，因此光谱宽度越窄意味着激光的抗干扰性越强，信噪比也就越高。目前VCSEL激光器的光谱宽度在1~2nm左右，低于EEL的3~8nm，拥有较强的抗干扰性。
（d）温漂系数。温漂是指激光波长随温度变化发生偏移的现象，偏移过大会导致回波信号被滤光片滤掉，无法被探测器接收到。当然也可以提高滤光片的光谱宽度，但这会导致信噪比减少，抗干扰能力减弱。目前VCSEL的温漂大约是EEL的六分之一。
（e）生产成本。EEL是平行于衬底侧面发光，所以在形成晶圆后还需要进行切割、翻转、镀膜、再切割的工艺步骤，无法按照现有半导体工艺来一次性处理，生产成本较高。VCSEL垂直于衬底正面发光，不需要在侧面进行太多加工，只需要按照正常的半导体加工工艺批量处理即可，成本较低。按照Yole的统计，EEL的后道处理工序成本比VCSEL高了一倍以上。
（2）光纤激光器
光纤激光器和半导体激光器一样，都是由能产生光子的增益介质，对增益介质进行激励的泵浦源，使光子谐振放大的光学谐振腔三部分组成。
光纤激光器与半导体激光器的最大不同在于增益介质，半导体激光器使用的增益介质是半导体，而光纤激光器使用的增益介质是光纤。
半导体激光器的发光机理上文已经介绍过，泵浦源常为电激励方式，而光纤不能够直接实现电光转换，因此泵浦源常采用光激励方式，来实现光光转换，光纤激光器最常用的泵瀑源就是半导体激光器。
光纤激光器按照增益介质、谐振腔结构可以细分为很多类型，下面以稀土掺杂类增益介质、光栅反射镜谐振腔为例，介绍光纤激光器的工作原理，如图11所示。
图11光纤激光器原理
泵浦源又被成为“种子源”，通过合束器为光纤激光器提供高功率、高亮度的泵浦光。工作时，泵浦源发出的泵浦光耦合进入增益介质光纤中，泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁并实现粒子数反转，反转后的粒子经过谐振腔，由激发态跃迁回基态，释放能量，并形成稳定的激光输出。
三、波长
任何一种光都有波长，激光也不例外，激光雷达最常使用的波长为905nm和1550nm，主流激光雷达波长如表2所示。
表2主流激光雷达波长
关于激光波长，绕不开的一个话题就是人眼安全。当一束强烈的可见光照射眼睛，我们会本能的闭上眼睛来躲避光线。但是对于激光这种不可见的近红外光，当眼睛被照射时，眼睛并不会注意到它，如果累积了足够的能量，激光就会对我们的眼睛造成不可逆的伤害，包括视网膜灼伤以及白内障。
为了评价这种伤害的级别，国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）制定了一份激光安全标准IEC60825，标准中根据最大允许暴露度（MaximumPermissibleExposure，MPE）对激光进行分类。MPE指在给定波长和持续时间内，在不允许引起生物组织损伤的情况下，每单位面积允许的最大激光能量。
IEC60825将激光划分为7类：1类、1M类、2类、2M类、3M类、3R类和4类。数字越大造成生物组织损伤的可能性越大，1类激光的风险非常低，并且“在合理可预见的使用范围内是安全的”。4类激光在光束内观察以及受到漫反射时都是危险的，它们还可能导致皮肤受伤，并有潜在的火灾威胁隐患。
IEC60825用不同脉宽的激光器做了MPE实验，如图12所示，横轴代表不同波长的激光，纵轴是人眼安全的MPE阈值，不同颜色的线代表不同脉宽的激光器。
图12不同波长激光器的MPE值
从图中可以看出，任何脉宽的1550nm激光器的MPE值都要比950nm激光器的MPE值高，这意味着人眼能承受更大能量的1550nm激光的照射，这意味着1550nm激光雷达将拥有更高的发射功率。
功率高、却能保证人眼安全的原因是1550nm的激光容易被水吸收，而人眼表面正好又一层水（眼液），所以要想伤我的视网膜，先过了我这层水再说。
发射功率高带来的最直接好处就是探测距离将更远，不信你看使用一个1550nm激光器的图达通的猎鹰灵动版激光雷达，在10%反射率的前提下，测距能力达到250m。而使用了905nm激光器的速腾聚创的RS-Lidar-M1激光雷达，在10%反射率的前提下，测距能力只有150m。
有矛就有盾，1550nm激光雷达的盾就是雨天，据部分公司的实测数据显示：2毫米厚的水层，不对，应该叫水薄膜都能将1550nm激光的90%能量吸收掉，这意味这小雨天要慎用、中雨及大雨用不了。
当然业界有一种声音，觉得如果雨水呈片状的“水帘”或“水滩”的话，1550nm激光被吸收的概率很大，但是如果是“雨点”的话，基本不具备完全屏蔽1550nm激光的能力。其实这种声音忽略了被测物体，无论大雨还是小雨，无论被测物体静止还是移动，在雨中呆上一段时间后表面都会形成一层水膜，所以你即使能躲避雨滴的吸收，你能躲避得了被测物体上的水膜？
所以矛与盾必然存在，就看厂家如何使用。
