顏凡江 鄭永超 陶宇亮

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

星載激光測距（測高）是一種重要的空間遙感手段，激光器是保證測距系統(tǒng)指標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備。1960年5月15日，美國休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼（T.H.Maiman）發(fā)明了世界上第一臺激光器。此后到1971年，一臺閃光燈泵浦紅寶石激光器作為高度計(jì)的關(guān)鍵部件被搭載在“阿波羅15號”上送入太空[1]，成為人類歷史上第一臺星載激光器。由于脈沖氙燈作為泵浦源的效率及其壽命方面的限制，星載激光技術(shù)發(fā)展緩慢。直到20世紀(jì)80年代初期，量子阱的出現(xiàn)使得半導(dǎo)體激光器增益系數(shù)大幅提高，從而使半導(dǎo)體激光器成為固體激光器重要的泵浦源[2]。從此以后，星載激光器技術(shù)的發(fā)展日新月異，從指標(biāo)參數(shù)、轉(zhuǎn)換效率到可靠性、平臺適應(yīng)性都產(chǎn)生了巨大進(jìn)步。到目前為止，已有多款半導(dǎo)體泵浦的全固態(tài)激光器成功運(yùn)行于測距系統(tǒng)的天基平臺。其中，由美國國家航空航天局（NASA）主持研制的一系列星載測距激光系統(tǒng)在不同時期代表了國際上的星載激光器的最高水平。本文對美國已成功運(yùn)行的幾款典型星載測距系統(tǒng)的激光器技術(shù)進(jìn)行了分析（由于高度探測也是距離探測的一種，其探測光源即激光器同屬于一個類型，文章將測高儀、高度計(jì)等測高系統(tǒng)歸類于測距系統(tǒng)。），總結(jié)了該類全固態(tài)激光系統(tǒng)區(qū)別于地面?zhèn)鹘y(tǒng)激光系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，并對其技術(shù)發(fā)展趨勢做了展望。

2 美國星載激光測距系統(tǒng)中激光器技術(shù)的發(fā)展

從20世紀(jì)70年代初到80年代末期，NASA以阿波羅15、16、17號為代表的系列太空觀測任務(wù)中，其測高系統(tǒng)中的激光發(fā)射光源，大都采用了閃光燈泵浦、機(jī)械調(diào)Q的紅寶石激光器。然而由于脈沖氙燈的轉(zhuǎn)換效率較低，發(fā)射譜線與晶體吸收峰不匹配以及壽命、可靠性等問題，星載固體激光器的發(fā)展一直較為緩慢。自90年代初開始，NASA開始采用準(zhǔn)連續(xù)二極管陣列作為激光器的泵浦源，使得星載固體激光器的光束指標(biāo)、轉(zhuǎn)換效率、壽命、可靠性以及腔型的擴(kuò)展性等方面都有很大提高。星載固體激光器技術(shù)出現(xiàn)了標(biāo)志性的轉(zhuǎn)變，開始了蓬勃的發(fā)展，下面將以幾個標(biāo)志性的測距（測高）系統(tǒng)為例，說明星載測距激光器的發(fā)展歷程。

2.1 火星觀測激光高度計(jì)

1992年9月25日，美國宇航局 （NASA）為了對火星進(jìn)行觀測，發(fā)射了火星觀測者號飛船（Mars Observer），搭載了火星觀測激光高度計(jì)（Mars Observer Laser Altimeter，MOLA），其中包含了人類歷史上第一臺激光二極管（Laser Diode，LD）泵浦的全固態(tài)激光系統(tǒng)。

MOLA所使用的激光器共發(fā)射了6.7×108次脈沖，這比此前美國所有星載激光雷達(dá)測量次數(shù)總和的十倍還多，MOLA的實(shí)際儀器性能和壽命全面優(yōu)于理論設(shè)計(jì)要求。MOLA的激光發(fā)射機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：28V電壓下輸出功率14.7W，泵浦光功率為60W，電光效率為3.3%。激光器輸出脈沖能量50mJ（20℃以上高于40mJ），重頻 10Hz，脈寬 8ns，發(fā)散角 450μrad，質(zhì)量 5.3kg。

其技術(shù)方案采用二極管泵浦Nd：YAG板條晶體，具體如下：

1）泵浦源：采用4個11條的激光二極管陣列，泵浦脈沖寬度150μs，室溫下泵浦峰值功率1 760W；

2） 激光晶體： 采用單塊 Cr：Nd：YAG晶體，Nd3+摻雜濃度為 1at.%（原子百分比），Cr3+摻雜濃度為0.05at.%；晶體橫截面尺寸3.4mm×3.4mm，長邊57mm，短邊46mm，晶體端面采用布儒斯特角切割。振蕩光在晶體板條中反射9次；

3）諧振腔：采用交叉波羅棱鏡諧振腔腔型，側(cè)面泵浦“之”字形光路板條晶體。

4）調(diào)Q方式（Q為諧振腔內(nèi)的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)）：采用鈮酸鋰晶體電光調(diào)Q，端面鏡采用角錐棱鏡，每個角錐棱鏡前放置一個Risley棱鏡進(jìn)行調(diào)諧。由于角錐棱鏡具有相移退偏的特性，放入0.57波片用做退偏補(bǔ)償。

MOLA激光器的關(guān)鍵技術(shù)在于板條的泵浦結(jié)構(gòu)以及激光二極管的整形技術(shù)。板條固體激光器利用光束在激光介質(zhì)中以“Z形”光路傳輸及其板條的幾何對稱性，消除一階熱聚焦和應(yīng)力退偏效應(yīng)，進(jìn)而提高光束品質(zhì)和輸出功率。激光二極管的泵浦光發(fā)散角比較大，需要經(jīng)過柱面鏡整形，成為較均勻的泵浦光帶。諧振腔采用角錐棱鏡作為腔鏡，此類諧振腔腔內(nèi)損耗比較大，但其失調(diào)靈敏度非常低，對于避免飛船發(fā)射時振動所帶來的影響很有益處。另外，Nd：YAG晶體中摻雜了0.05 at.%的Cr3+離子，可以提高晶體的抗輻射性能。

2.2 近地行星探測系統(tǒng)

1996年2月17日，美國宇航局第一個Discovery項(xiàng)目啟動，使用Deltal-Ⅱ型火箭將近地行星探測飛行器（Near Earth Asteroid Rangefider，NEAR-Laser Rangefinder，NLR）送入太空，激光測距儀作為5個載荷之一用來探測與行星之間的數(shù)據(jù)。

NLR激光器的主要技術(shù)指標(biāo)為：單脈沖能量5mJ，重頻可在1/8，1，2，8Hz之間切換，脈寬10～20ns，功耗22W，質(zhì)量 5kg。

技術(shù)方案采用半導(dǎo)體激光二極管泵浦的Nd：YAG晶體板條結(jié)構(gòu)，具體如下：

1）泵浦源：采用20bar的808nmGaAs激光二極管，脈沖寬度150μs。

2）激光晶體：采用泵浦光9次折返的Cr：Nd：YAG板條晶體，晶體采用單邊泵浦、單邊散熱結(jié)構(gòu)。泵浦端鍍增透膜，散熱面鍍高反膜以提高泵浦光利用率。

3）諧振腔結(jié)構(gòu)：采用偏振耦合的U型腔，腔內(nèi)由兩個角錐棱鏡和一個3面直角棱鏡組成，角錐棱鏡前放置Risley棱鏡進(jìn)行準(zhǔn)直調(diào)節(jié)，采用兩個角錐棱鏡作為腔鏡以提供高穩(wěn)定性。

4）調(diào)Q方式：仍然采用電光調(diào)Q，Q開關(guān)支路上放置0.57 波片，提供退偏補(bǔ)償。

該方案采用的直角棱鏡偏振耦合U型腔，是繼MOLA以后一段時期內(nèi)比較具有代表性的腔型結(jié)構(gòu)，經(jīng)過了多個星載激光器項(xiàng)目的驗(yàn)證，但NLR系統(tǒng)與其它系統(tǒng)不同的是，諧振腔內(nèi)加了小孔光闌進(jìn)行限模，通過增加高階模損耗，提高了輸出激光的光束品質(zhì)。另外，腔外采用了9.3倍擴(kuò)束減小發(fā)散角。

2.3 美國對地觀測衛(wèi)星地球科學(xué)激光測高系統(tǒng)

2003年1月12日，美國宇航局發(fā)射了對地觀測衛(wèi)星 （ICEsat），該衛(wèi)星配備了地球科學(xué)激光測高系統(tǒng)（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS），用來獲得地表、冰川、植被、云層等不同目標(biāo)的高程信息。該系統(tǒng)激光器諧振腔結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 GLAS激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Configuration of GLAS laser

GLAS激光器的主要技術(shù)指標(biāo)為：雙激光波長輸出，1 064nm波長激光單脈沖能量74mJ，532nm激光單脈沖能量36mJ；激光線寬＜15pm；重頻40Hz；脈寬5ns；1 064nm波長激光發(fā)散角150μrad，532nm激光發(fā)散角 475μrad；功耗 115W，質(zhì)量 15.1kg。

GLAS激光器方案采用主振蕩放大（Master Oscillator Power Amplifier，MOPA）結(jié)構(gòu)，具體如下：

1）泵浦源：主振蕩器泵浦源為兩個100W的準(zhǔn)連續(xù)激光二極管，預(yù)放大級泵浦源為8.1kW激光二極管陣列，放大級泵浦源為44.1kW激光二極管陣列；

2）激光晶體：主振蕩器、預(yù)放大以及放大級都采用了板條Nd：YAG晶體；

3）調(diào) Q 方式：Cr4+：YAG 晶體被動調(diào) Q；

4）諧振腔采用主振蕩放大結(jié)構(gòu)，主振蕩器由準(zhǔn)連續(xù)激光二極管泵浦板條晶體，產(chǎn)生40Hz，2mJ，寬度5ns的近衍射極限（M2＜1.1，M2為光束品質(zhì)因子）的光脈沖，經(jīng)2倍望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束，注入預(yù)放級，預(yù)放級與振蕩器之間通過TGG法拉第旋轉(zhuǎn)器隔離，雙程放大后得到的15mJ，M2=1.4的光脈沖，再經(jīng)過2倍擴(kuò)束，進(jìn)入放大級，雙程放大后達(dá)到110mJ，M2=1.8。最后輸出的光束由具有高損傷閾值的I類相位匹配LBO（LiB3O5，三硼酸鋰）晶體倍頻，倍頻效率為30%。

GLAS的激光器也是在MOLA的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，但在性能指標(biāo)上已全面超過MOLA系統(tǒng)，其首次采用主振蕩放大（MOPA）結(jié)構(gòu)，在獲得高能量輸出的同時也使激光具有優(yōu)異的光束品質(zhì)；另外，該系統(tǒng)首次采用被動調(diào)Q方式，與傳統(tǒng)的主動電光調(diào)Q相比，結(jié)構(gòu)更加簡單，且避免了高壓驅(qū)動源的使用，在隨后的多個星載激光器項(xiàng)目中幾乎都采用了被動調(diào)Q方式。

2.4 美國月球觀測軌道器月球軌道高度計(jì)

2009年6月，美國宇航局發(fā)射月球觀測軌道器（LRO），其上搭載了月球軌道高度計(jì)（Lunar Orbiter Laser Altimeter，LOLA），用來獲得月球的地形模型數(shù)據(jù)。LOLA激光器諧振腔結(jié)構(gòu)方案基本上沿用了GLAS激光器的振蕩器方案。

LOLA激光器的主要技術(shù)指標(biāo)為：激光單脈沖能量3mJ，重頻28Hz；脈寬6ns；發(fā)散角300μrad，功耗2W，質(zhì)量9.6kg。

該方案采用單級偏振耦合的半導(dǎo)體激光器泵浦Nd：YAG板條結(jié)構(gòu)，具體如下：

1）泵浦源采用兩個60W半導(dǎo)體激光器陣列，脈沖寬度142～157μs；

2）激光晶體采用11次折返的Cr：Nd：YAG板條晶體；

3）調(diào)Q方式采用體光學(xué)密度為0.39的Cr4+：YAG飽和吸收晶體被動調(diào)Q；

4）諧振腔采用主振蕩諧振腔與冷備份諧振腔共用輸出鏡的方式；腔內(nèi)采用偏振耦合U型腔，交叉的波羅棱鏡作為腔鏡，激光由偏振棱鏡耦合輸出；

LOLA激光器由于輸出能量僅為3mJ，在GLAS激光振蕩器方案的基礎(chǔ)上首次采用了主備激光器共用的光路結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)可靠性的同時減小了整機(jī)體積。

2.5 美國第二代對地觀測衛(wèi)星測高系統(tǒng)

美國宇航局計(jì)劃在2015年發(fā)射第二代對地觀測衛(wèi)星 （Ice，Cloud and Land Elevation Satellite，ICESat-2），其測高系統(tǒng)中的GLAS-2激光器在GLAS激光器基礎(chǔ)上作了重要改進(jìn)，可靠性得到進(jìn)一步提高。GLAS-2激光器諧振腔結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。

圖2 GLAS-2激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Configuration of GLAS-2 laser

該激光器的主要技術(shù)指標(biāo)為：單脈沖能量50mJ，重頻50Hz；脈寬6ns；功耗2W，質(zhì)量9.6kg。

GLAS-2激光器方案采用主振蕩放大結(jié)構(gòu)，具體如下：

1）泵浦源：采用兩個占空比為2%的200W GaInAsP半導(dǎo)體激光器陣列（Coherent公司G2產(chǎn)品），泵浦脈寬156μs，降額50%使用，半導(dǎo)體制冷器將溫度控制在±0.2℃以內(nèi)；

2）激光晶體：采用布儒斯特角切割、11次折返的Nd：YAG板條；

3）調(diào)Q方式：采用光學(xué)密度為0.32的Cr4+：YAG飽和吸收晶體被動調(diào)Q；

4）諧振腔：振蕩器采用波羅棱鏡腔、被動調(diào)Q的技術(shù)方案，腔長136mm，縱模間隔1.1GHz，波羅棱鏡切邊方向與激光晶體泵浦面呈45°角，以減小板條內(nèi)的熱效應(yīng)，輸出鏡采用自由光譜范圍為23pm的標(biāo)準(zhǔn)具輸出鏡；放大器采用環(huán)形泵浦結(jié)構(gòu)，特制的楔形45°旋光片放置在全反鏡前可以對在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的退偏振進(jìn)行補(bǔ)償，同時也用來做光學(xué)調(diào)整；主振蕩輸出3.5mJ，6ns，100Hz，經(jīng)過二級放大，達(dá)到50mJ。

該激光器方案總體來說在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了兩大技術(shù)突破：1）采用標(biāo)準(zhǔn)具耦合輸出鏡，用一片單面鍍膜的標(biāo)準(zhǔn)具做激光的耦合輸出鏡，既實(shí)現(xiàn)了激光反饋振蕩，又起到選縱模、壓縮線寬、提高光束品質(zhì)的作用。同時，單面鍍膜也提高了輸出鏡的損傷閾值，因?yàn)橥ǔ５募す廨敵鲧R外表面鍍制的高增透膜層，很容易受到污染而導(dǎo)致鏡片損傷，而此輸出鏡外表面無鍍膜，也使激光器可靠性提高。2）采用了環(huán)形腔放大技術(shù)，通過對激光偏振態(tài)進(jìn)行改變，用較少元件實(shí)現(xiàn)了單塊增益介質(zhì)的雙通放大，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)效率。

美國近年來官方公布的其它星載測距（測高）任務(wù)及其激光器的主要參數(shù)見表1。

表1 星載測距(測高)激光器主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of lasers used in space-borne altimeter

3 星載測距激光器的主要特點(diǎn)

通過對上述不同型號的星載測距激光器進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)此類激光器的主要特點(diǎn)可從以下方面進(jìn)行歸納：

（1）指標(biāo)參數(shù)

在指標(biāo)參數(shù)上，星載測距激光器采用高能量、低重頻的激光器。激光器的單脈沖能量主要由使用要求及平臺環(huán)境決定?？傮w來說，星載測距激光器能量一般在10-1J量級以下。目前星載測距激光器大體可分為兩種類型——高能量、低重頻激光器與低能量、高重頻激光器。前者對于脈寬以及探測器的要求相對較低，同時其探測效率也較低；后者則恰恰相反，其探測效率較高。近年來隨著探測器技術(shù)的發(fā)展以及被動調(diào)Q的成功運(yùn)用，低能量、高重頻的激光器成為重要的星載激光技術(shù)發(fā)展方向。

（2）技術(shù)方案

從技術(shù)方案角度分析，星載測距系統(tǒng)中激光器的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：1）激光介質(zhì)以板條狀為主。激光器方案基本都是采用半導(dǎo)體激光器泵浦板條結(jié)構(gòu)。光束在板條狀的激光介質(zhì)中以“Z形”光路傳輸，再加上其板條的幾何對稱性使得其光光轉(zhuǎn)換效率比較高。對于傳統(tǒng)的高能量、低重頻全固態(tài)固體激光器，泵浦光到輸出激光的轉(zhuǎn)換效率一般為11%左右，而上述激光器的轉(zhuǎn)換效率在16%以上。衛(wèi)星平臺上的電量供給比較有限，激光轉(zhuǎn)換效率越高意味著電能消耗的越少，也就意味著供電單元的體積質(zhì)量越小。對于激光系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換效率越高，激光晶體的熱效應(yīng)就越小，輸出激光的穩(wěn)定性與光束品質(zhì)也越好；另外，在一個電子系統(tǒng)里，效率越高，產(chǎn)生的熱量越少，意味著會有更長的壽命和更高的可靠性；2）激光器腔型多采用U型腔，配合角錐棱鏡作為腔鏡，光路中加入偏振棱鏡進(jìn)行耦合輸出。利用角錐棱鏡自準(zhǔn)直的特點(diǎn)可以使諧振腔失調(diào)靈敏度降低，從而實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性能。因此這種腔型在有效的利用空間資源、使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊的同時，也保證了其高穩(wěn)定、高可靠的性能；3）由于測距系統(tǒng)要求的激光能量越來越高，激光器多采用主振蕩放大（MOPA）結(jié)構(gòu)，在提供足夠的輸出能量基礎(chǔ)上，也保證了優(yōu)良的激光光束品質(zhì)。

（3）裝調(diào)工藝

在裝調(diào)工藝上，星載測距激光器采用了高穩(wěn)定措施。對于激光的光學(xué)諧振腔設(shè)計(jì)，一般要滿足光學(xué)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定以及機(jī)械穩(wěn)定3方面的要求。對于星載的激光系統(tǒng)而言，機(jī)械穩(wěn)定性最為關(guān)鍵。從上述幾個激光器結(jié)構(gòu)可以看出，為滿足這個要求，裝調(diào)結(jié)構(gòu)無一例外的采用了所有夾具一次固定，并用Risley棱鏡調(diào)諧的方式降低光學(xué)元件夾具的自由度，保證高穩(wěn)定的性能。美國在2006年發(fā)射的云-氣溶膠激光雷達(dá)和紅外探測者觀測衛(wèi)星系統(tǒng)（Cloud Aerosol LiDAR and Infrared Pathfinder Satellite Observations，CALIPSO）中，其激光器在不降低輸出的情況下，失調(diào)量僅為0.1mrad。目前，這一指標(biāo)在地面的激光器系統(tǒng)中也不易實(shí)現(xiàn)。

（4）可靠性設(shè)計(jì)

在可靠性設(shè)計(jì)方面，采用多方面降額設(shè)計(jì)。為提高光學(xué)元件的可靠性，美國在多個星載激光器系統(tǒng)中都采用了降額設(shè)計(jì)，一般半導(dǎo)體激光器的使用功率會降到其額定功率的75%以下使用，使得系統(tǒng)在激光二極管發(fā)生一定范圍退化的情況下仍能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)；腔內(nèi)功率密度控制在Nd：YAG板條損傷閾值的1/3以下；輸出激光峰值功率密度控制在光學(xué)表面損傷閾值的25%以下。在真空微重力的條件下，激光與光學(xué)薄膜的作用與地面情況下大為不同，光學(xué)薄膜更易損傷。美國自從2003年ICEsat項(xiàng)目中的GLAS系統(tǒng)出現(xiàn)接連故障后，在激光器可靠性方面做了很多的改進(jìn)。實(shí)踐證明，光學(xué)元件的降額設(shè)計(jì)對激光器可靠性的提高有至關(guān)重要的作用。

激光器是測距系統(tǒng)中的探測光源，在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用；同時，激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、所處環(huán)境嚴(yán)酷，若發(fā)生故障可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。星載激光器的主要特點(diǎn)大多都是為了保證其高效、高可靠性、長壽命工作（脈沖次數(shù)通常在108～109次）。當(dāng)然，隨著測距（測高）任務(wù)中測距精度、測距范圍以及系統(tǒng)壽命等需求的多方位提升，激光器技術(shù)也在不斷革新、發(fā)展。

4 星載測距激光器的發(fā)展趨勢

對近年美國公布的下一代激光雷達(dá)計(jì)劃進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在激光參數(shù)指標(biāo)上，其星載激光測距系統(tǒng)的激光技術(shù)已從單一的高能量、低重頻激光器階段，向高能量、低重頻與高重頻、低能量激光器并存階段過渡。明顯的標(biāo)志是，美國對預(yù)計(jì)2015年發(fā)射的第二代對地觀測衛(wèi)星ICESat-2所采用的激光器技術(shù)方案進(jìn)行了更改。2008年，NASA指出，ICESat-2激光器技術(shù)方案只是在ICESat所用激光器方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了可靠性，整體上仍屬于高能量、低重頻技術(shù)，具體指標(biāo)要求為單脈沖能量50mJ、脈寬6ns、重頻50Hz。但是，2009年末，NASA又提出一套完全不同的高重頻、低能量技術(shù)指標(biāo)——單脈沖能量2mJ、脈寬1ns、重頻10kHz、多波束同時探測。另外，在預(yù)計(jì)2020～2025年發(fā)射的美國NASA下一代高精度激光雷達(dá) （LiDAR Surface Topography，LIST）計(jì)劃中，激光器也同樣屬于高重復(fù)頻率、低脈沖能量（單脈沖能量100μJ，脈寬1ns，重頻10kHz）技術(shù)類型。

通常情況下，激光器的單脈沖能量由測距的任務(wù)和測試環(huán)境（如軌道高度、大氣損耗、探測器種類等等）決定，而激光脈寬和重復(fù)頻率則具有一般性，可以在一定程度上體現(xiàn)激光器的體制和技術(shù)類型。圖3是20世紀(jì)90年代以來美國宇航局發(fā)射的幾個典型高度計(jì)所采用的激光器重復(fù)頻率與脈寬的變化。

圖3 激光器脈寬與重復(fù)頻率的變化趨勢Fig.3 Trend of laser pulse width and repetition frequency

從圖3可以看出，星載測距激光器的重復(fù)頻率有迅速提高的趨勢，而脈寬則呈逐漸下降之勢。呈現(xiàn)這種趨勢的原因是：從主觀上，因?yàn)榻陙硎澜绺鲊鴮τ谛禽d測距有著高精度、高效率的技術(shù)要求。從客觀角度分析，首先，由于近幾年探測器技術(shù)的發(fā)展，其靈敏度已趨近單光子水平，使得測距在百千米測試軌道高度時，激光發(fā)射光脈沖能量可以降低到μJ量級；其次，在調(diào)Q方式上，GLAS以及LOLA系統(tǒng)中被動調(diào)Q晶體的成功應(yīng)用使得激光脈寬得以進(jìn)一步縮小，提高了測量精度，同時被動調(diào)Q可以實(shí)現(xiàn)比電光調(diào)Q更高的重復(fù)頻率，這樣配合多波束探測技術(shù)可以大幅提高探測效率。因此，眾多因素決定了高重頻、低能量激光技術(shù)將成為星載測距主流的激光器技術(shù)類型之一。

對于具體的高重頻、低能量激光器種類，市場上成熟的商業(yè)化產(chǎn)品較多，但適用于星載的激光器類型比較有限，主要有微片激光器以及光纖激光器兩種。微片固體激光器采用半導(dǎo)體激光器端面泵浦毫米級厚度的激光晶體，其諧振腔長度短，容易實(shí)現(xiàn)單模輸出，且具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在腔內(nèi)加入被動調(diào)Q晶體，可以方便的實(shí)現(xiàn)高重頻輸出。而光纖激光器是以光學(xué)纖維為基質(zhì)，摻入某些活性離子作為工作介質(zhì)的激光器。與傳統(tǒng)固體激光器相比，光纖激光器具有激光閾值低、輸出光束品質(zhì)好、轉(zhuǎn)換效率高，散熱效果好、易于系統(tǒng)集成等顯著優(yōu)點(diǎn)；結(jié)合調(diào)Q技術(shù)可產(chǎn)生ns級、高重復(fù)頻率的激光脈沖。

通過對美國以往及未來星載測距激光技術(shù)的總結(jié)和展望，可以發(fā)現(xiàn)星載測距用激光技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）多種激光方案并存。在已有成熟的板條激光器的基礎(chǔ)上，半導(dǎo)體泵浦的微片激光器或光纖激光器將成為星載測距主流的激光器類型之一。其中微片激光器典型的代表為以Yb3+：YAG為激光介質(zhì)的微片固體激光器；光纖激光器可采用的類型主要有摻Y(jié)b3+、摻Nd3+等光纖激光器。

2）被動調(diào)Q方式已被證明是一種有效的星載激光器調(diào)Q技術(shù)，應(yīng)予以關(guān)注。相對于主動調(diào)Q，被動調(diào)Q方式采用飽和吸收體（如Cr4+：YAG），可以減小脈沖寬度，提高重頻，并且可以避免使用高壓，降低電磁干擾。

3）以Yb3+為激活離子的激光介質(zhì)有很大的發(fā)展?jié)摿Αb3+的吸收譜寬約為Nd3+的6倍，因此可以降低激光介質(zhì)泵浦過程的溫控精度。相對于Nd3+，Yb3+與Y3+晶格常數(shù)相近，可以高濃度摻雜，更適合高重頻輸出。

4）激光單頻輸出是一個重要的發(fā)展方向。在激光接收部分，激光測距的探測器前需要濾除背景噪聲。通常的方法是通過鍍膜或標(biāo)準(zhǔn)具，只允許發(fā)射激光附近波長的光透過。而激光的線寬越窄則可以濾除的背景噪聲越多，測試精度越高。從GLAS，GLAS-2以及美國下一代高精度激光雷達(dá)LIST的指標(biāo)參數(shù)中，可以看出其激光器都采用了單頻激光輸出。

5 結(jié)束語

激光遙感作為一種主動遙感技術(shù)在國際上已被廣泛應(yīng)用于海洋、陸地遙感以及深空探測。國內(nèi)對這方面技術(shù)的需求非常迫切，相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展也較為迅速。但是，目前作為其關(guān)鍵設(shè)備的激光器，在理念上還缺乏從整機(jī)和應(yīng)用角度進(jìn)行研究的觀念，品種上較為單一；在技術(shù)上，一些新穎的激光技術(shù)還不夠成熟，不能適應(yīng)星載需求；在工程上，多種穩(wěn)定性、可靠性工藝還需要探索；在標(biāo)準(zhǔn)化上，也尚未建立相應(yīng)的航天激光產(chǎn)品測試標(biāo)準(zhǔn)。總體來說，與國際水平還有較大差距。不過，近年來中國全固態(tài)激光技術(shù)發(fā)展很快，在地面已有了較好的研究基礎(chǔ)，相信未來在各方需求的牽引下，在研究基礎(chǔ)的技術(shù)推動下，中國的星載激光事業(yè)能夠得到快速、長足的發(fā)展。

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