空間應(yīng)用高光束質(zhì)量小型化被動(dòng)調(diào)Q 激光器

王彬宇，劉 斌，王永志，吳妙章，周云申，劉 崇

（1.浙江大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海 201109；3.常州英諾激光科技有限公司，江蘇 常州 213164）

0 引言

激光探測(cè)是一種方向性好、抗干擾能力強(qiáng)的主動(dòng)探測(cè)手段，在空間探測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。以星間通信為例，空間衛(wèi)星之間通過(guò)激光器發(fā)射脈沖激光，接收器獲取回波信號(hào)，獲得探測(cè)目標(biāo)的速度、位置和軌跡特征等信息，可用于對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行光電捕獲和跟蹤瞄準(zhǔn)，建立星間的通信鏈路。根據(jù)探測(cè)目標(biāo)的類型和探測(cè)器的響應(yīng)情況，為了獲得高探測(cè)信噪比，激光器的脈沖寬度和峰值功率是設(shè)計(jì)中的重要技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于空間激光器，在實(shí)現(xiàn)高精度目標(biāo)探測(cè)的同時(shí)，由于存在載荷及空間的嚴(yán)格限制、能源供給的有限性，以及需要在衛(wèi)星運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)信號(hào)收發(fā)等問(wèn)題，除需滿足激光脈沖寬度和峰值功率設(shè)計(jì)的基本技術(shù)指標(biāo)外，還要考慮激光器的結(jié)構(gòu)小型化、激光的光束質(zhì)量、系統(tǒng)的功耗、系統(tǒng)的可靠性和魯棒性等。

國(guó)際上，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）于2003年發(fā)射的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星（Ice，Cloud，and land Elevation Satellite，ICEsat）上載荷了地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS）星載激光器。該激光器首次采用了被動(dòng)調(diào)Q 技術(shù)產(chǎn)生脈沖激光，并在隨后多個(gè)星載項(xiàng)目中使用了被動(dòng)調(diào)Q 技術(shù)，證明了被動(dòng)調(diào)Q 技術(shù)已經(jīng)可以成熟地應(yīng)用于空間激光器。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院北京光電研究院于2017 年研制了用于空間碎片探測(cè)的全固態(tài)Nd：YAG 激光器，使用了種子激光器結(jié)合十級(jí)激光放大器的主振蕩功率放大器（Master Oscillator Power-Amplifier，MOPA）結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了3.31 J 能量的激光輸出。這種采用了多級(jí)放大結(jié)構(gòu)的空間激光器體積大、功耗高、熱效應(yīng)嚴(yán)重，不便于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)小型化。

相較于主動(dòng)調(diào)Q 技術(shù)通過(guò)外加驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)輸出激光的調(diào)制，被動(dòng)調(diào)Q 技術(shù)是通過(guò)諧振腔內(nèi)可飽和吸收體對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)窄脈寬高峰值功率的激光輸出。對(duì)于空間星載環(huán)境，由于對(duì)載荷和體積需要嚴(yán)格限制，對(duì)電磁干擾和系統(tǒng)產(chǎn)熱也需要嚴(yán)格控制，采用被動(dòng)調(diào)Q 技術(shù)無(wú)需額外添置驅(qū)動(dòng)源，減小了系統(tǒng)的體積，消除了電磁干擾。被動(dòng)調(diào)Q 技術(shù)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、系統(tǒng)緊湊的特點(diǎn)，更易滿足空間激光器低熱量、低功耗、結(jié)構(gòu)小型化的設(shè)計(jì)要求。因此，研制穩(wěn)定工作、高峰值功率、高光束質(zhì)量被動(dòng)調(diào)Q 小型化激光器，對(duì)于空間激光載荷的研制具有重要的實(shí)際意義。本文設(shè)計(jì)了一種空間應(yīng)用的基于1 064 nm 波段的激光二極管（Laser Diode，LD）端面泵浦的被動(dòng)調(diào)Q 小型化全固態(tài)激光器，并實(shí)現(xiàn)了工程樣機(jī)。工程樣機(jī)激光頭質(zhì)量為0.52 kg，體積為0.469 L，激光脈沖峰值功率達(dá)到兆瓦，脈沖寬度為5.12 ns，光束質(zhì)量因子為

M

=1.01，脈沖能量穩(wěn)定性均方根（Root Mean Square，RMS）為1.53%。

1 理論仿真

1.1 被動(dòng)調(diào)Q 激光器參數(shù)設(shè)計(jì)

空間應(yīng)用激光器為了滿足星間探測(cè)需求，其脈沖寬度和單脈沖能量是激光器設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。對(duì)于LD 泵浦的被動(dòng)調(diào)Q 激光器，根據(jù)被動(dòng)調(diào)Q 理論，結(jié)合激光速率方程，可通過(guò)計(jì)算反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的方法獲得被動(dòng)調(diào)Q 激光器的單脈沖能量

E

和脈沖寬度

t

。結(jié)合被動(dòng)調(diào)Q 晶體的初始透過(guò)率

T

，進(jìn)一步推導(dǎo)

T

、

E

、

t

之間的關(guān)系以指導(dǎo)激光器設(shè)計(jì)。選用Cr：YAG 為被動(dòng)調(diào)Q 晶體，仿真結(jié)果如圖1所示，仿真計(jì)算所用的參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 激光器單脈沖能量與脈沖寬度隨Cr4+：YAG 初始透過(guò)率變化的關(guān)系Fig.1 Relationship between the single pulse energy and the pulse width of the laser with the initial transmittance of Cr4+：YAG

表1 被動(dòng)調(diào)Q 激光器仿真計(jì)算所用參數(shù)［11］Tab.1 Parameters used in the simulation calculation of passively Q-switched laser［11］

根據(jù)圖1 的結(jié)果分析，隨著Cr：YAG 初始透過(guò)率的增大，被動(dòng)調(diào)Q 激光器的輸出單脈沖能量逐漸減小，脈沖寬度逐漸增加。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，激光器諧振腔輸出的單脈沖能量應(yīng)大于1.00 mJ，脈沖寬度為5.00 ns 左右。由仿真結(jié)果，選取Cr：YAG 初始透過(guò)率為20%，輸出鏡反射率為30%時(shí)，能獲得單脈沖能量1.38 mJ、脈沖寬度5.44 ns 的激光輸出，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需要。

1.2 激光晶體熱穩(wěn)定性仿真

在空間應(yīng)用環(huán)境下，激光器的穩(wěn)定性是制約其性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素。激光增益介質(zhì)作為受激輻射產(chǎn)生激光的關(guān)鍵元件，在激光器設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮其熱穩(wěn)定性。考慮到空間應(yīng)用載荷、體積和功耗的限制要求，本文采用了紫銅熱沉結(jié)合銦膜包裹增益介質(zhì)進(jìn)行傳導(dǎo)冷卻的方法，為增益介質(zhì)散熱。該方法不需要引入外界制冷設(shè)備，降低了系統(tǒng)的體積和功耗。增益介質(zhì)選用Nd：YAG 激光晶體，用于進(jìn)行晶體熱穩(wěn)定性仿真所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)建模，如圖2 所示。

圖2 激光晶體熱穩(wěn)定性分析結(jié)構(gòu)建模Fig.2 Structural modeling for the thermal stability analysis of the laser crystals

激光晶體的產(chǎn)熱主要來(lái)源于激光泵浦。在仿真中選用了100 W 峰值功率、230 μs 泵浦脈沖寬度、10 Hz 重復(fù)頻率下工作的脈沖泵浦條件作為熱源。選取了不同的環(huán)境溫度，仿真激光晶體的溫度分布情況以評(píng)估其熱穩(wěn)定性，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 給出了在實(shí)驗(yàn)室溫度25 ℃條件下，以及改變環(huán)境溫度激光晶體由中心到邊緣的溫度變化情況。

圖3 不同環(huán)境溫度下激光晶體熱穩(wěn)定性仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of the thermal stability of the laser crystals at different ambient temperatures

由圖3 可見(jiàn)，越靠近泵浦光斑中心的溫度越高。在不同環(huán)境溫度下，計(jì)算激光晶體中心到邊緣的溫度差，如圖4 所示。

圖4 激光晶體中心到邊緣溫度差隨環(huán)境溫度變化的結(jié)果Fig.4 Results of the temperature difference from the center to the edge of the laser crystal at different environmental temperatures

由圖4 可知，在模擬的泵浦條件和冷卻散熱設(shè)計(jì)下，當(dāng)環(huán)境溫度由-10.0 ℃升至60.0 ℃時(shí)，激光晶體中心到邊緣溫度差由13.5 ℃升至16.7 ℃，溫度差的增幅為3.2 ℃。在本文第3 章測(cè)試分析中，將評(píng)估環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的晶體溫度差變化對(duì)輸出激光穩(wěn)定性的影響。

2 樣機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

空間應(yīng)用高光束質(zhì)量小型化被動(dòng)調(diào)Q 激光器工程樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，采用一級(jí)激光振蕩器加一級(jí)晶體放大器的結(jié)構(gòu)。激光振蕩器和晶體放大器均采用了西安炬光公司生產(chǎn)的光纖耦合輸出LD 進(jìn)行端面泵浦，泵浦光中心波長(zhǎng)（808±3）nm，使用熱電冷卻器（Thermo Electric Cooler，TEC）對(duì)泵浦源進(jìn)行溫度控制，通過(guò)改變LD 的溫度來(lái)調(diào)節(jié)泵浦光的波長(zhǎng)。泵浦光由芯徑為400 μm、數(shù)值孔徑為0.22 NA 的多模光纖導(dǎo)入耦合系統(tǒng)準(zhǔn)直聚焦，經(jīng)過(guò)內(nèi)表面鍍1 064 nm 高反膜層的后腔鏡，耦合入摻雜濃度約為1%的Nd：YAG 增益介質(zhì)，Nd：YAG 長(zhǎng)度為10 mm，端面直徑為3 mm，使用銦膜包裹后置于金屬紫銅熱沉中。根據(jù)1.1節(jié)的仿真與計(jì)算結(jié)果，選用初始透過(guò)率為20%的Cr：YAG 可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)調(diào)Q，輸出鏡內(nèi)表面鍍膜反射率為30%，外表面鍍1 064 nm 減反膜。激光器諧振腔采用了兩面腔鏡均為平面反射鏡的平行平面腔，這種諧振腔較為充分地利用了增益介質(zhì)體積，光束方向性好，易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。諧振腔內(nèi)部使用了3 個(gè)入射角（Angle of Incidence，AOI）為45°的1 064 nm 高反鏡，對(duì)振蕩激光進(jìn)行光路折轉(zhuǎn)。這種“折轉(zhuǎn)式”的光路設(shè)計(jì)有效地利用了空間，光路更加緊湊，不改變平行平面腔的光學(xué)性質(zhì)。放大級(jí)為基于Nd：YAG 增益介質(zhì)的激光放大器，由激光振蕩器輸出的1 064 nm 信號(hào)光經(jīng)由激光放大器放大，通過(guò)窗口鏡輸出放大后的脈沖激光。

圖5 激光器工程樣機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.5 Design of the laser engineering prototype structure

2.2 泵浦耦合系統(tǒng)與放大器

小型化被動(dòng)調(diào)Q 激光器的振蕩級(jí)和放大級(jí)均采用了LD 端面泵浦的方式。相對(duì)于側(cè)面泵浦，端面泵浦的泵浦光能夠聚焦到與諧振腔同軸的增益介質(zhì)當(dāng)中，在增益介質(zhì)中產(chǎn)生較高的泵浦功率密度。使用光纖耦合方式傳輸泵浦光可將泵浦源外置以減小激光頭尺寸。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，泵浦耦合光學(xué)系統(tǒng)采用了非球面匹配透鏡組，如圖6 所示。

圖6 泵浦光耦合系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)Fig.6 Optical design of the pump coupling system

泵浦光由多模光纖輸出后成一定角度發(fā)散，經(jīng)耦合系統(tǒng)準(zhǔn)直并聚焦于增益介質(zhì)內(nèi)部。對(duì)于端面泵浦激光器，決定激光器效率和輸出功率的1 個(gè)重要因素是泵浦光和振蕩光的空間重疊情況。當(dāng)聚焦泵浦光斑和光學(xué)諧振腔振蕩基模光斑實(shí)現(xiàn)模式匹配時(shí)，泵浦光可以得到充分利用，諧振腔具有最大的輸出效率。

在圖5 所示的Nd：YAG 激光放大器中，振蕩級(jí)輸出的信號(hào)光經(jīng)由二向色鏡反射進(jìn)入放大級(jí)增益介質(zhì)，二向色鏡透射面鍍808 nm 減反膜，反射面鍍808 nm 增透膜、1 064 nm 高反膜。與振蕩級(jí)類似，泵浦光經(jīng)耦合系統(tǒng)準(zhǔn)直并聚焦進(jìn)入摻雜濃度約為1%Nd：YAG 增益介質(zhì)。通過(guò)微調(diào)耦合透鏡組和增益介質(zhì)的相對(duì)位置，可以實(shí)現(xiàn)泵浦光斑直徑和信號(hào)光斑直徑的匹配。經(jīng)過(guò)Nd：YAG激光放大器，信號(hào)光實(shí)現(xiàn)了峰值功率提升，這種主振蕩功率放大的MOPA 結(jié)構(gòu)能夠保持振蕩級(jí)輸出激光良好的時(shí)頻域特性和光束質(zhì)量。

2.3 機(jī)械設(shè)計(jì)

工程樣機(jī)的光學(xué)元件固緊采用了紫外固化膠粘合的方式，以減小元件內(nèi)部應(yīng)力。光學(xué)諧振腔腔鏡使用了銷釘螺柱固緊，裝調(diào)中不使用彈性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可調(diào)機(jī)構(gòu)通過(guò)旋轉(zhuǎn)頂絲實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)微調(diào)，提升了工程樣機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。對(duì)激光增益介質(zhì)側(cè)面拋光，減小和導(dǎo)熱材料之間的空隙，激光晶體的散熱和夾持結(jié)構(gòu)采用了1.2 節(jié)的設(shè)計(jì)方法。除對(duì)增益介質(zhì)進(jìn)行專門熱效應(yīng)控制外，系統(tǒng)的機(jī)械固定件選用了熱導(dǎo)率較高的硬鋁材料進(jìn)行導(dǎo)熱、散熱。工程樣機(jī)在多處進(jìn)行了整體模塊化設(shè)計(jì)，減少了零件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成化。工程樣機(jī)設(shè)計(jì)了封裝外殼，對(duì)外殼、光學(xué)機(jī)械固定和夾持件進(jìn)行表面發(fā)黑處理，防止外部環(huán)境對(duì)激光器內(nèi)部光路和機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾。

3 測(cè)試分析

測(cè)量得到激光頭的外形尺寸為108 mm×101 mm×43 mm，計(jì)算得到激光頭體積為0.469 L，質(zhì)量為0.52 kg，含泵浦源質(zhì)量為1.35 kg。使用能量計(jì)分別測(cè)量激光單脈沖能量和能量穩(wěn)定性，使用高速PIN 光電二極管結(jié)合數(shù)字示波器測(cè)量激光脈沖寬度。

通過(guò)調(diào)節(jié)LD 的重復(fù)頻率，可以實(shí)現(xiàn)激光器重復(fù)頻率的調(diào)節(jié)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)脈沖重復(fù)頻率10～100 Hz 的調(diào)節(jié)。在LD 輸出功率100 W、脈沖寬度230 μs、重復(fù)頻率10 Hz 的測(cè)試條件下，測(cè)得激光振蕩器輸出的激光單脈沖能量1.25 mJ，脈沖寬度5.12 ns，與第1.1 節(jié)理論仿真與計(jì)算結(jié)果基本吻合。經(jīng)過(guò)放大后的激光單脈沖能量可達(dá)到5.16 mJ，計(jì)算得到激光峰值功率1.01 MW。激光單脈沖能量穩(wěn)定性RMS 1.53%。激光單脈沖能量穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)果和測(cè)試條件如圖7 所示。

圖7 激光單脈沖能量穩(wěn)定性實(shí)測(cè)結(jié)果及測(cè)試條件Fig.7 Experimental results and test conditions of the laser single pulse energy stability

圖8 激光光束質(zhì)量因子測(cè)試結(jié)果與近場(chǎng)激光光斑Fig.8 Experimental results of the laser beam quality factor and near-field laser spot

由于增益介質(zhì)的存在，泵浦光在增益介質(zhì)中受激輻射產(chǎn)生激光的過(guò)程中存在量子虧損，在增益介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)，導(dǎo)致輸出激光光束質(zhì)量惡化。熱透鏡效應(yīng)的嚴(yán)重程度通過(guò)增益介質(zhì)的熱透鏡焦距

f

反映，

f

由增益介質(zhì)的固有性質(zhì)和導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)的泵浦參數(shù)決定。對(duì)于端面泵浦結(jié)構(gòu)的激光器，

f

可表示為

式中：

K

為增益介質(zhì)熱導(dǎo)率；

ω

為泵浦光斑半徑；

P

為產(chǎn)熱的泵浦功率；d

n

/d

T

為增益介質(zhì)熱光系數(shù)；

α

為增益介質(zhì)吸收系數(shù)；

l

為增益介質(zhì)長(zhǎng)度。

測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行熱透鏡焦距計(jì)算使用的參數(shù)見(jiàn)表2。增益介質(zhì)選用Nd：YAG 激光晶體，在實(shí)驗(yàn)室溫度25 ℃條件下，計(jì)算得到激光晶體的熱透鏡焦距約為5 899 mm。根據(jù)1.2節(jié)的仿真結(jié)果，隨著外界環(huán)境溫度的改變，將會(huì)改變激光晶體中心到邊緣的溫度差，影響其熱透鏡焦距。環(huán)境溫度導(dǎo)致激光晶體熱透鏡焦距變化的情況如圖9 所示。

表2 諧振腔熱透鏡焦距計(jì)算參數(shù)［11］Tab.2 Parameters used to calculate the focal length of the resonator thermal lens［11］

圖9 激光晶體熱透鏡焦距隨環(huán)境溫度變化的結(jié)果Fig.9 Focal length of the laser crystal thermal lens with the environment temperature

根據(jù)圖9 的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)外界環(huán)境溫度由實(shí)驗(yàn)室溫度25 ℃升高至60 ℃時(shí)，晶體的熱透鏡焦距由約5 899 mm 縮短至約5 244 mm；當(dāng)溫度從25 ℃降低至-10 ℃時(shí)，熱透鏡焦距由約5 899 mm 增加至約6 525 mm。在這個(gè)變化范圍內(nèi)，激光晶體的熱透鏡焦距遠(yuǎn)大于激光晶體長(zhǎng)度和諧振腔的光學(xué)長(zhǎng)度，熱透鏡效應(yīng)可以忽略不計(jì)，環(huán)境溫度的變化對(duì)激光晶體的熱穩(wěn)定性沒(méi)有產(chǎn)生明顯的影響。由于激光器工作在低重復(fù)頻率狀態(tài)，振蕩級(jí)和放大級(jí)的泵浦能量較低，被動(dòng)調(diào)Q 激光器的整機(jī)熱效應(yīng)很小，獲得了近高斯型的輸出激光光束質(zhì)量。同時(shí)，被動(dòng)調(diào)Q 本身無(wú)需外加激勵(lì)源實(shí)現(xiàn)諧振腔損耗調(diào)制，低熱效應(yīng)也使激光器無(wú)需進(jìn)行水冷或風(fēng)冷，整機(jī)功耗低，適合在空間環(huán)境下工作。激光器的各項(xiàng)輸出特性參數(shù)滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種空間應(yīng)用高光束質(zhì)量小型化被動(dòng)調(diào)Q 激光器的工程樣機(jī)。根據(jù)空間應(yīng)用特點(diǎn)，脈沖激光產(chǎn)生方式實(shí)現(xiàn)了低功耗與低電磁干擾，光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了緊湊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的結(jié)構(gòu)小型化，散熱實(shí)現(xiàn)了無(wú)水冷、無(wú)風(fēng)冷，機(jī)械設(shè)計(jì)提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。工程樣機(jī)獲得了超過(guò)兆瓦級(jí)的峰值功率，

M

=1.01 近高斯型光束質(zhì)量的激光輸出，輸出激光脈沖能量穩(wěn)定性RMS 為1.53%，工程樣機(jī)能夠初步滿足空間應(yīng)用激光器的設(shè)計(jì)需求。該項(xiàng)研究為未來(lái)實(shí)體研制空間應(yīng)用衛(wèi)星載荷激光器，實(shí)現(xiàn)激光器的小型化和高光束質(zhì)量，提供了一定的研究基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)參考。