多波段激光檢測光源模塊設計

沈曉彥，王凱，易翔翔

(1.中國兵器工業標準化研究所，北京 100089；2.32382部隊，北京 100072；3.中國電子科技集團公司第十五研究所，北京 100083)

激光因其波束小、指向性強、精度高，廣泛應用于激光制導和激光測距等領域。在激光裝備的維修和保障過程中，利用特定波長的激光信號模擬器模擬激光脈沖信息是評價激光裝備接收性能的一種主要手段[1]。由于激光裝備形式多樣，發射脈沖覆蓋波段眾多，導致配備檢測維修設備種類繁多，不利于軍事隨行保障。因此需要研制集成化、模塊化的檢測設備，以滿足激光裝備基層級和基地級的檢測維修需求。

為滿足多種波長激光裝備的模塊化檢測需求，筆者研制了一種能夠輸出多波長激光光束的光源模塊，使得激光檢測光源具有結構簡單、體積質量小和易于調制的特點，能夠避免作戰維修場地有限的制約，提高檢測精度和效率，為激光裝備日常維護及隨行保障提供支撐。

目前在光通信領域，實現多波長集成和切換一般有兩種方案，一是采用波長可調諧激光器作為光源[2-3]，但其波長可調范圍有限；二是利用MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems，微光機電)集成波長選擇開關技術進行波長切換[4]。雖然上述多波長集成方案在光通信領域獲得大量應用，但其存在制作工藝復雜、成本高昂的缺點，難以應用于激光裝備維修的多波長光源模塊。文獻[1]較早地提出了利用可轉動的全反射鏡將分布在不同位置的4種波長的光源引入至準直鏡頭，實現了不同波長的切換，但因為存在轉動機構，長期使用可靠性差，易造成光軸失調。文獻[5-6]提出了將多種波段激光發光器件進行底層集成，形成準共軸光源，實際上無法形成精確的共軸光路。因此，筆者設計了一種無轉動機構的光路切換方案，結合不同波長的激光二極管發射光源，可實現共軸輸出的多波長集成化光源。相比于其他方案，具有體積小、質量小、低成本、無需機械式切換、易于測試儀器集成的優點。

1 多波段激光光源的設計

1.1 多波段激光器選型

半導體激光二極管是一種體積小、易于驅動的激光器，適合在激光裝備檢測中使用。筆者選用了某研究所生產的3種波長的脈沖激光二極管，其主要參數如表1所示。激光二極管結構形式為TO56形式，內部實現初步準直，并生成圓形光斑，其實物如圖1所示。通過光線追蹤仿真，如圖2所示，可以看出該激光二極管封裝能夠實現良好的準直效果。

表1 半導體脈沖激光二極管參數表

1.2 多波段共軸光路設計

多波段共軸光路設計用于滿足多波段光源在同一光軸輸出[7]。筆者采用主光路為1 064 nm準直激光為標準光束，上、下分別是905 nm和1 550 nm兩路附加光束，附加光束通過半透半反45°鏡耦合到主光路，實現多波段激光的共光軸準直輸出。如圖3所示。

圖3中，透反鏡1全透1 064 nm波段，全反905 nm波段。透反鏡2全反1 550 nm波段，全透905、1 064 mm兩個波段。發射物鏡是三光耦合擴束鏡，采用三片式彎月透鏡和膠合透鏡相結合的方式進行設計，可以起到有效消除像差的作用，光路如圖4所示。

導光介質是200 μm芯徑光纖，采用光纖可以達到對出光功率進行勻化的目的。其中光纖NA數值采用0.21設計，最終擴束準直徑達到的標準全角為4 mrad，遠場RMS半徑1.1 mrad，GEN半徑達到2.1 mrad；FFT MTF參數達到0.1～0.5之間；FFT PSF函數指標良好。

通過發射電路分別控制3路激光二極管的發射與關閉，即可模擬不同波長的激光發射光源，從而實現3種波長的自由切換。

1.3 激光發射電路設計

多波段激光光源的發射電路應滿足發射脈沖寬度窄、頻率可調、功率可調的要求，特別是脈沖寬度決定著模擬精度[8-9]。筆者設計的窄脈沖驅動電路由窄脈沖發射電路和窄脈沖發生電路兩部分組成，其中窄脈沖發射電路如圖5所示。

通過反復控制MOS管Q1的開關狀態就能不斷的產生脈沖。在放電回路中，由儲能電容產生的脈沖是按指數衰減的。假設充電電壓為U0(圖5為15 V)，當電容充電完成后其電壓也等于U0；此時使得Q1導通，儲能電容開始通過回路放電，忽略電路中的寄生電感的影響，該電路的電流解I為

(1)

式中，R和C分別為RC電路的阻值和容值。可以看出，時間常數RC和U0/R分別決定著衰減程度和峰值電流的大小。因此采用這種方法負載上最終得到的脈沖在很大程度上受RC回路因素的影響。Q1開關時間則對脈沖的上升和下降沿起著決定作用。因此可以解得電流i隨時間t的變化滿足如下關系：

(2)

式中，L為RC回路的寄生電感。

在激光二極管達到額定功率時管壓降為2 V，激光二極管的等效電阻為0.4 Ω，電路寄生電感越大，其發射脈沖上升時間越長。電路寄生電阻越大，其所需供電電壓越高。因此在電路設計時，盡量減小電路的寄生電阻和寄生電感，在選取電容時，要考慮其額定電壓、等效串聯電阻(ESR)以及電容溫度穩定性對發射電路性能的影響，應選取額定電壓高，ESR小的陶瓷電容。

由于3種不同波長的激光二極管阻抗特性存在差異，因此需要制作3種不同RC參數的驅動電路。分別對加工制作完成的窄脈沖驅動電路進行測試，利用示波器觀察激光二極管兩端電壓。如圖7所示為1 064 nm激光二極管窄脈沖波形，可以看出筆者設計的窄脈沖驅動電路能夠產生4 ns脈寬的發射脈沖，上升和下降時間很陡，能夠滿足激光光源窄脈沖發射的需求。其他兩種波長的激光二極管窄脈沖驅動電路經RC電路參數的調整，也能達到該效果。

2 實驗驗證

設計完成的多波段激光光源如圖8所示，3種波長的激光二極管通過內部光路進行共軸并耦合至光纖，最后通過光纖準直鏡頭輸出。為了驗證其性能，設計了實驗平臺，分別采集激光光斑和發射功率。

2.1 激光光斑質量檢測

如圖9(a)所示，利用CCD相機拍攝上轉換板可以得到光斑圖像。對3種不同波長的激光光斑圖像分別進行處理，可以得到光斑直徑、質心和均勻性等。編寫圖像處理程序對距離出光口3 m處的光斑進行處理，通過提取光斑輪廓可以將其擬合成圓，得到光斑直徑和質心[10]；將光斑像素值的分布繪成三維圖，可以分析出其均勻度，如圖9(b)所示。

控制3種波長的激光二極管分別發射激光，得到其光斑圖像分析結果如表2所示，可知，經過共軸設計的不同波長激光光斑直徑、質心和均勻性指標一致性好，證明了光路設計的良好性能。

表2 激光光斑質量檢測結果

2.2 激光波長、發射功率和效率檢測

利用光譜儀、光功率計等測試儀器分別對3種波長激光的波長、發射功率分別進行采集，其中發射理論值設定為相同值，發射電路參數根據此發射功率進行設定。檢測結果如表3所示，可知，通過共光軸設計，出光口峰值功率具有較好的一致性，但后期使用時應進行標定。

表3 激光波長、發射功率和效率檢測結果

3 結論

為滿足多波段激光裝備的檢測，筆者設計了一種集成化的多波段激光光源模塊，在光路上采用透反鏡和光纖準直鏡頭，實現了905、1 064、1 550 nm 3種波長激光的共光軸輸出，并可通過電路選擇輸入其中任意一種激光。為滿足高速窄脈沖驅動的需求，采用了超高速器件開關充放電電路，實現了激光光源的窄脈沖發射。實驗結果驗證了設計的可行性和有效性，為下一步應用于激光裝備檢測奠定了基礎。