高分七號衛星激光測高儀激光器設計

孟俊清 張鑫 蔣靜 吳姚芳 謝可迪 魏森濤 王晉偉 王志君 陳衛標

(中國科學院上海光學精密機械研究所 空間激光通信及檢驗技術重點實驗室，上海 201800)

高分七號(GF-7)衛星搭載的激光測高儀主要用于星下廣義高程控制點的測量，協同立體測繪相機工作完成1∶10 000比例尺測繪。測高儀包含2個波束，每個波束為獨立發射的一臺激光器，為了提高系統可靠性，每個波束還冷備份了一臺激光器，因此測高儀安裝了4臺激光器。測高儀對激光器提出的主要技術要求包括激光脈沖能量達到180 mJ和激光的重復頻率為3 Hz。為了在有限發射口徑下實現小的激光足印，對激光光束質量因子(M2)提出了小于2.5的要求。此外，衛星在軌工作時間長達8年，對激光器的壽命要求也是截至目前最長的。與國內外同類的空間激光器相比，GF-7衛星測高儀的激光器指標要求都是比較高的。

激光器用于空間探測可以追溯到20世紀70年代，美國阿波羅15號(Appolo-15)上首次搭載了基于紅寶石激光器的激光測距儀[1]。早期的空間激光器都是以閃光燈為泵浦源的固體激光器，隨著20世紀80年代末期大功率激光二極管技術的進步，泵浦源被激光二極管替代。世界上第1臺空間全固態激光器是1992年NASA發射的火星探測器搭載的火星觀測者激光高度計(MOLA)[2]。中國的第1臺空間全固態激光器是2007年發射的嫦娥一號所搭載的激光高度計激光器，該激光器采用的是激光二極管(LD)，陣列側面泵浦Nd:YAG電光調Q技術路線。在隨后的嫦娥二期工程中，除了搭載用于測距的全固態激光器外，還搭載了用于對著陸區三維地貌進行成像的光纖激光器。在對地觀測方面，NASA在2003年發射了“冰衛星”(ICESat)，衛星上搭載了地球科學激光高度計系統(GLAS)[3]，主要用于監測兩極的冰蓋厚度變化，同時也可測量大氣氣溶膠和云。GLAS采用的激光器是基于LD泵浦的被動調Q板條激光器，同時輸出1064 nm和532 nm的激光脈沖。NASA還于2009年發射了用于探測大氣氣溶膠的“云-氣溶膠激光雷達和紅外開拓者衛星觀測”(CALIPSO)，該激光雷達采用的是單級振蕩輸出的電光調Q板條激光器，經過倍頻后同時輸出532 nm綠光和1064 nm基頻光[4]。2018年NASA發射了ICESat-2任務，其上搭載了基于光子計數法測高的先進地形激光高度計系統(ATLAS)[5]，該載荷的激光器采用了主振蕩器+功率放大器(MOPA)結構，其中振蕩器采用LD端面泵浦的電光調Q單頻激光器。同樣是2018年，ESA發射了“風神”(Aeolus)衛星，搭載了首個全球風場測量的大氣激光多普勒雷達(ALADIN)，該載荷采用的激光器是基于MOPA結構的單頻紫外Nd：YAG激光器[6]。

GF-7衛星測高儀激光器從2015年開始研制，最終交付了2個波束共4臺飛行件激光器(每個波束包括1臺主份、1臺冷備份)。本文主要介紹了該激光器的設計思路和設計結果，該設計方案可用于深空探測、對地觀測及機載激光測距等領域的激光器。

1 激光器設計

測高儀對激光器提出的主要技術要求如表1所示。按照這些技術要求，采用嫦娥一號激光測高儀激光器的技術路線，盡管能夠在輸出能量上滿足要求，但是由于嫦娥一號測高儀激光器的LD是弧形封裝的，封裝采用的是軟焊料，因此壽命無法滿足要求。此外，嫦娥一號激光測高儀激光器采用單級振蕩器，光束質量也很難滿足要求。因此，GF-7衛星測高儀激光器采用一級振蕩器+兩級放大器的技術路線，激光器的組成框圖如圖1所示。

圖1 激光器組成框圖Fig.1 Constitution of laser transmitter

每臺激光器包括激光器光學頭部、激光驅動電子學組件和激光控制器三部分。4臺激光器頭部獨立安裝，4臺激光器的驅動器之間完全獨立，每個激光器都有完整的控制器和LD驅動器。在實際使用中，將全部4臺激光器的驅動電子學分為2個結構安裝，一個是激光控制器，一個是激光驅動電子學組件。

激光器每一級的增益介質均采用Nd:YAG板條，這樣可以使用工業上大量應用的G封裝的LD陣列進行泵浦。這種G封裝的LD陣列普遍采用金錫焊料進行封裝，壽命可達1×109甚至1×1010次，完全能夠滿足任務的壽命指標要求。此外，采用之字形板條作為增益介質，可以減小熱效應對光束質量的影響，提高激光光束質量。首先，以小能量的振蕩級實現激光光束M2在1.5以內，再通過兩級之字形板條放大器實現180 mJ激光脈沖能量，并將激光光束M2控制在2.0以內。激光器的光路示意如圖2所示。

為了防止真空下有機揮發物對激光光學元件表面造成污染，激光器的光學頭部采用密封設計，內部氣壓維持在0.12 MPa，并在內部安裝壓力傳感器對壓力進行監測。

圖3為交付正樣飛行件的4臺激光器光學頭部。圖4(a)為交付正樣飛行件的激光驅動電子學組件,內部包含4臺激光器的振蕩級和預放級驅動電路；圖4(b)為激光控制器，包含所有4臺激光器的二次電源和主控，以及主放級驅動電路。交付的4臺激光器的主要性能指標如表2所示。

圖2 激光器光路示意Fig.2 Schematic of laser optical layout

圖3 激光器光學頭部正樣飛行件Fig.3 Photograph of flight lasers optical head

圖4 激光電子學正樣飛行件Fig.4 Photograph of flight laser electronics part

表2 交付時4臺激光器的主要性能指標Table 2 Main parameters of 4 flight lasers

激光器光學頭部采用主振蕩-功率放大結構，下面分別對激光器光學頭部各部分設計進行介紹。

1.1 振蕩級

振蕩級諧振腔采用的是正交雙Porro棱鏡直線腔，腔長約10 cm。采用正交雙Porro棱鏡腔，可以使激光器在2個正交方向上都能獲得良好的抗失諧性[7]。激光晶體采用面泵浦的之字形薄板條，2個端面均切割為布儒斯特角。為了提高泵浦光的吸收率，在遠離泵浦光的另一個大面上鍍有808 nm高反膜，這個面同時作為晶體與熱沉的焊接面，這樣可以使晶體的溫度梯度對光束質量的影響最小。激光利用偏振分光鏡(PBS)偏振耦合輸出，耦合輸出率約為80%。振蕩級采用的泵浦源為雙巴的LD陣列，每個LD巴條的峰值功率都可以達到150 W，實際工作降額至約90 W，泵浦脈寬為200 μs。得益于衛星熱控技術的進步，采用環路熱管對激光器進行熱控，可以將激光器工作的中心溫度T0(約為20.0 ℃)控制在-1.5～+1.5 ℃。所選用的LD陣列波長-溫度漂移系數約為0.25 nm/℃，在工作溫度范圍內的波長漂移量低于1 nm，因此激光器內沒有再對振蕩級LD單獨進行主動溫控。為了保持4臺激光器的工作溫度一致，對LD進行篩選，挑選出在20.0 ℃、100 A工作電流下波長在807.0 nm±0.2 nm以內的LD陣列進行裝機，這樣可將4臺激光器的中心工作溫度差異控制在1.0 ℃以內。振蕩級采用Cr4+:YAG晶體被動調Q，所選擇的初始透過率為35%～40%。采用被動調Q，一方面，可以省略電光調Q所需的高壓驅動電源，降低激光器的復雜度；另一方面，被動調Q具有縱模的自然選擇性[8]，這樣可以使激光器在多數情況下單縱模運轉。

振蕩級的工作電流采用閉環控制。由于玻羅(Porro)棱鏡的棱線不可能無限細，因此在Porro棱鏡后方安裝了光電二極管(PIN管)，作為閉環控制的傳感器探測由棱線漏出的激光。振蕩級的初始電流設置為80 A，逐步增大電流，直到傳感器探測到激光，將此時的電流作為閾值工作電流，并在此基礎上增加1 A作為工作電流。

振蕩級輸出的脈沖能量約為2 mJ，脈沖寬度為3 ns,圖5(a)是在距離振蕩級輸出端約10 cm處測得的近場光斑，圖5(b)是采用焦距1.02 m的透鏡聚焦后在焦平面處測得的遠場光斑，振蕩級輸出的激光發散角為2.1 mrad，激光光束M2達到約1.3。

圖5 振蕩級輸出光斑形狀Fig.5 Beam profile of oscillator laser

1.2 預放級

振蕩級輸出的脈沖首先經過一個空間光隔離器，將振蕩級光路與放大級隔離。經過隔離器后的激光偏振方向仍然為S偏振。然后，經過一個1.9倍的擴束鏡對光束進行擴束，再經過PBS進入預放級板條。預放級板條是兩端均為布儒斯特角的Nd:YAG之字形板條，截面尺寸為3 mm×3 mm，入射面鍍有S光和P光雙增透介質膜。S偏振的激光經過之字形板條后由0.57λ(λ為波長)波片和Porro棱鏡組成反射鏡將光原路返回，同時偏振方向旋轉90°，以P偏振再次進入之字形板條進行放大，放大后的能量約為25 mJ。

預放級的LD為3組陣列，每組陣列4個巴條，同樣每個巴條工作降額在約90 W。預放級LD以之字形板條的一個全內反射面為泵浦面，另一個全內反射面作為冷卻面與熱沉焊接。為了有效利用泵浦光，焊接面鍍有808 nm的高反膜。

圖6是采集的預放級近場輸出光斑。可以看到：圖6(a)中的近場光斑受到板條晶體輪廓的限制，近似方形，并且可以看到由于硬邊衍射引起的條紋；圖6(b)是在透鏡焦平面采集的遠場光斑，測試的輸出激光能量為21 mJ，發散角為1.2 mrad，此時的激光光束M約為1.4。

圖6 預放級輸出光斑形狀Fig.6 Beam shape after pre-amplifier

1.3 主放級

預放級的光斑經過2.5倍擴束鏡，光斑達到約5 mm后進入主放級。主放級增益介質采用截面尺寸6 mm×8 mm的之字形Nd:YAG板條，泵浦面為之字形的全內反射點，這樣獲得較高的提取效率。本文設計共采用12個LD陣列(見圖7)，每個陣列6個巴條，每個巴條的最高功率為150 W，同樣降額至約90 W使用。LD分為2組，每組6個模塊，串聯工作使用一個驅動電路，因此主放級LD采用2個LD驅動電路。主放級板條采用2個全內反射面為泵浦面，采用非泵浦面作為冷卻面與熱沉焊接，由于重復頻率只有3 Hz，不會發生熱累積，因此沒有明顯的熱透鏡效應。經過放大后的脈沖再經過4倍擴束鏡，發散角壓縮至約0.13 mrad后，再經過藍寶石密封窗口輸出。

主放級輸出后經過4倍擴束鏡盒輸出窗口后的光斑如圖8所示。可以看到：由于主放采用單通放大，2個方向的光斑尺寸不一致，近場光斑為橢圓形；主放輸出后的經過4倍擴束鏡的發散角為0.15 mrad，由于擴束鏡次鏡的硬邊衍射效應，遠場光斑邊緣有類似拖尾現象；經過主放級后的激光光束M2的2個方向分別為1.55和1.79(見圖9)。

圖7 主放級泵浦結構示意Fig.7 Bock diagram of power amplifier

圖8 主放級輸出光斑形狀Fig.8 Beam shape of final output

圖9 主放級輸出激光光束質量因子Fig.9 Output M2 of MOPA

2 激光驅動電子學

GF-7衛星測高儀激光器的激光電子學主要功能是：將輸入電源轉換為所需的二次電源，控制各級LD陣列的驅動電流，開啟激光器，采集激光器的遙測量，監測激光器健康狀態，并與測高儀控制器進行通信。激光器驅動電子學框圖如圖10所示。

激光器的二次電源包括39 V，5 V，±12 V和100 V。其中：39 V為激光器振蕩級與預放級LD的儲能電容充電共用電源，振蕩級和預放級LD驅動電路為傳統的恒流源電路，由FPGA輸出電流控制信號，導通大功率場效應管(MOSFET)，使儲能電容對LD陣列放電。LD驅動電路的工作電流設置上限達到120 A，實際工作在約100 A。5 V電源為主控板數字電路供電電源。±12 V電源給能量探測以及各級恒流驅動電路供電。100 V電源為主放級LD的儲能電容充電電源。主放級LD包含2路獨立恒流源驅動電路，這2路驅動電路的電流控制信號為FPGA輸出的同一個信號，并且共用一個100 V電源。100 V電源在激光器控制器上電后1 s內自動使能輸出，輸出電壓可根據實際需要在一定范圍內通過調壓電阻的阻值調整，根據MOSFET的壓降情況實際工作為95 V。

FPGA主控板含有一個軟件配置項，由上位機通過參數設置指令控制激光器的各級工作電流。振蕩級LD電流采用閉環控制，預放級和主放級LD電流為開環控制。FPGA主控板采集的遙測量包括激光器3級LD的熱沉溫度、激光器殼體溫度、LD工作電流、LD電壓、激光輸出能量及殼體內部壓力等。其中，5 V電源和振蕩級LD溫度作為遙測量直接送給衛星總控，其余15個模擬量測量值作為激光器內測量，所有監測的信號如表3所示。15個內測量中，溫度的正常范圍設定為10～30 ℃，超過此溫度范圍，判斷為異常，軟件會自動保護，激光器不能開啟。同樣，電壓遙測也設定了正常范圍，超出范圍，軟件會報告激光器狀態異常，不能正常開機。由于激光器頭部結構采用密封設計，并且要保證在軌8年，因此內置了一個壓阻式精密壓力傳感器，測量靈敏度為0.01個標準大氣壓。

表3 激光器遙測信號Table 3 Laser telemetry signals

3 在軌測試情況

激光器2019年11月隨GF-7衛星發射后，根據回波強度把在軌發射能量調整為約100 mJ。實際在軌運行激光器工作時的溫度變化范圍為-0.5～+0.5 ℃,說明激光器利用整星提供的良好熱控能夠保持穩定運行，不采用半導體致冷器(TEC)對LD進行主動溫控的技術選擇是正確的。激光器開機后各項遙測數據均正常，經過6個月的在軌運行，輸出能量正常，見圖11。這表明激光器的密封設計以及防污染措施有效，能夠保證激光器的壽命滿足任務需求。

圖11 激光器在軌6個月工作輸出能量遙測Fig.11 Telemetering results of laser energy after operating 6 months in orbit

4 結束語

GF-7衛星測高儀激光器采用一級振蕩器+兩級放大器的MOPA結構的板條激光技術，實現了輸出能量180 mJ，脈沖寬度4～5 ns，光束質量因子M2小于2的輸出，4臺激光器的輸出能量穩定度均在1.2%以內。激光器在軌能量輸出正常，并且輸出光束指向達到亞微弧度量級，為測高儀全面實現既定測距指標奠定了基礎。