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5.8.1.1 激光的特性
激光和普通光的根本不同在于激光是一种有很高光子简并度的光。光子简并度可以理解为具有相同模式（或波型）的光子数目，即具有相同状态的光子数目。
激光器主要由增益介质和谐振腔组成。谐振腔选模，增益介质通过受激辐射向确定的模提供能量，从而形成具有很高光子简并度的激光。高光子简并度表现出很好的单色性、方向性、相干性及高亮度；激光可被压缩成极短的超短脉冲，脉宽已达到秒量级，能产生短至4.6 fs的超短激光脉冲，高达1020W／cm2的光功率密度。
（1）单色性
激光的好单色性是由激光器的工作原理和结构决定的。由于谐振腔内的增益介质可以向一个模提供足够的能量，从整体来看可以认为光在腔内没有损耗，因而由该谐振腔输出的激光可以理解为是没有衰减的，具有无限窄的谱线宽度。
实验证明，激光的谱线不可能无限窄，因为自发辐射在激光的输出中不可避免。自发辐射只能平均地向所有模提供能量，因而对某一特定模而言，它所提供的能量是很小的，而这份小小的能量恰恰造成激光发射中一种不可避免的衰减。所以，激光谱线仍有一定的宽度。通常把激光器中自发辐射引起的线宽称为线宽极限ΔυL，ΔυL正比于该模式中每秒自发辐射的能量。
单模稳频气体激光器的单色性最好，固体激光器的单色性较差，半导体激光器的单色性最差。
（2）方向性
光源发出光束的方向性通常用发散角2θ（单位rad）来描述，亦可用光束所占的空间立体角ΔΩ=πθ2（单位sr）来描述。普通光源辐射的光束来自于自发辐射，自发辐射总是任意的，是向4π立体角辐射的，所以方向性很差。
激光的优良方向性，是激光器的工作原理和结构决定的。由于激光器中增益介质只向特定模式提供能量，受激辐射提供的光子总是与激发光完全一样，同频率、同偏振、同位相和同方向。所以，如果谐振腔选出的模不受衍射的影响，激光束的发散角可以无限小。一般说来，激光器的发散角（θ）决定于该激光器的腔长，即
环境地球物理学概论
式中：λ是激光波长，L是腔长。若λ=0.63μm，L=0.4 m，则θ=2×10-3rad。增加腔长，还可以进一步减小发散角。
不同类型激光器的方向性差别很大，这与增益介质的类型、均匀性、光腔的类型、腔长、激励方式和激光器的工作状态有关。气体激光器的增益介质有良好的均匀性，且腔长大，方向性好；固体激光器的方向性差；半导体激光器的方向性最差。
（3）高相干性光强
激光具有极好相干性。激光的单色性，使其具有优良的高光束质量和高相干光强。因此有助于进一步提高光功率密度。例如，激光好的单色性容易聚焦为小的光斑，从而获得更大的功率密度。若将一个1012W的激光脉冲聚焦为5 μm直径的光斑，其功率密度可达1018W/cm2。
5.8.1.2 激光器
在已有的数百种激光器中按工作物质可分为气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器。用于激光雷达的是能够发射高功率、窄脉宽、窄频带且有较小远场发散角光束的激光器。对于机载或星载图像雷达，或在返回信号极其微弱的情况下，通常还要求有较好的脉冲重复性。为了适应多领域的应用，波长可调激光雷达越来越受到重视。
（1）气体激光器
激光雷达常用的是以强放电激励的气体激光器，其波长在红外到近紫外范围。
二氧化碳（CO2）激光器是最早用于雷达的激光器之一，由于输出波长10.6μm恰好处于大气传输窗窗口，因而至今仍被用于大气探测。
HgBr激光器输出激光的波长（495～505 nm）位于第一绿色光波段，而且波长可调，两个峰值位置在502 nm和504 nm，线宽0.05 nm，重复频率（100 Hz）优良，单脉冲输出能量高，非常适合于海洋勘查，用作海洋、湖泊污染调查和海洋油气勘查。
在紫外波段工作的N2分子气体激光器和准分子激光器，适用于探测污染。其最强输出谱线为337.1 nm，输出峰值功率可达107W。
（2）固体激光器
与气体激光器相比，固体激光器体积较小、价格低、质量可靠。
Nd：YAG是一类应用广泛的固体激光器。发射波长为1.06μm的基频辐射有利于研究瑞利（Rayleigh）和米（Mie）散射，适用于对大气物质进行探测的大气雷达。波长0.532μm的2倍频光辐射适用于海洋激光雷达。波长0.355μm和0.266μm的3倍频和4倍频光辐射，适用于测污雷达。在典型情况下脉冲宽度为10～30 ns，单脉冲能量为100 mJ～1 J，脉冲重复率10～100 Hz。技术性能优良的砷化镓（GaAs）半导体激光器，输出809 nm的光波长正好与Nd：YAG工作物质的一条吸收谱线相匹配，将其用作泵浦源可以使Nd：YAG激光器的能量转换效率大幅度提高，而小型化、寿命长，已在激光雷达中应用。
正在研究的可调谐固体激光器，将有利于提高激光雷达的适用性。
5.8.1.3 激光雷达的组成
激光雷达的基本原理与普通电磁波雷达类似。所不同的是发射的信号为激光，比无线电波的波长短很多。由光学原理可知，电磁波在传播路程上遇到比波长小很多的物体时，波的大部分能流绕过物体继续向前传播。因此，普通的无线电波雷达无法感知小尺寸的目标物体。激光的波长一般都是微米（μm）级波长，足以探测直径很细的导线和极细微粒。
图5.8.1 单稳激光雷达原理框图
激光雷达按其基本结构，可分为单稳系统和双稳系统两类。在双稳系统中，为了提高空间分辨率，将发射光部分和接收部分分别设置。当前激光源的脉宽达纳秒（ns）级，具有相当高的空间分辨率，因此双稳系统已很少应用。单稳系统发射与接收信号共用一个光学孔径，用开关（T/R）隔离，其原理框图如图5.8.1所示。
无线电波雷达接收的信号主要是反射信号。
激光雷达根据不同探测目标，接收的信号可以是反射信号，也可以是弹性散射信号（包括Rayleigh散射或Mie散射），还可以是吸收衰减的信号，共振散射信号，荧光信号，拉曼（Raman）散射信号，以及差分吸收散射信号等，形成不同用途的激光雷达系统。
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激光雷达的工作原理与雷达非常相近，以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上，引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，根据激光测距原理计算，就得到从激光雷达到目标点的距离，脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。 激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这是、也是直接探测型雷达的基本工作原理