樊仲維 邱基斯 唐熊忻 白振岙 康治軍葛文琦 王昊成 劉昊 劉悅亮

1)(中國科學院光電研究院,北京 100094)

2)(國家半導體泵浦激光工程技術研究中心,北京 100094)

3)(中科和光(天津)應用激光技術研究所有限公司,天津 300304)

4)(中國科學院大學,北京 100049)

用于空間碎片探測的百赫茲3.31 J高光束質量全固態(tài)Nd:YAG激光器?

樊仲維1)2)4)?邱基斯1)2)3)?唐熊忻1)2)3)白振岙1)2)3)康治軍1)2)3)葛文琦1)2)3)王昊成1)2)劉昊1)劉悅亮1)

1)(中國科學院光電研究院,北京 100094)

2)(國家半導體泵浦激光工程技術研究中心,北京 100094)

3)(中科和光(天津)應用激光技術研究所有限公司,天津 300304)

4)(中國科學院大學,北京 100049)

(2016年9月28日收到;2016年12月13日收到修改稿)

基于激光二極管側面抽運棒狀放大器的方式,研制了一臺應用于空間碎片探測的高重復頻率、高光束質量焦耳級的Nd:YAG納秒激光器.激光器采用主振蕩功率放大的結構,主要包括單縱模種子、預放大單元、受激布里淵散射相位共軛光束控制單元和能量提取單元四部分.在能量提取單元,為了減小熱效應對光束質量的影響,降低了放大器的工作電流,采用了分束-放大-合束的方案.在重復頻率100 Hz,單縱模種子注入單脈沖能量10.73μJ的條件下,獲得了3.31 J的能量輸出.輸出激光的脈沖寬度為4.58 ns,遠場光束質量為2.12倍衍射極限,能量穩(wěn)定性(RMS)為0.87%.

二極管抽運,高重復頻率,納秒激光器,高光束質量

1 引 言

隨著空間技術的進步,人類進入太空的活動不斷增多,產生了越來越多的空間碎片.碎片物質的撞擊是航天器機械損傷和損毀的主要原因,也是影響航天器壽命的主要因素之一,甚至會危及在航天器外工作的宇航員的生命安全,也會對天文觀測和研究構成威脅[1,2].對于空間碎片的監(jiān)測與預警逐漸得到廣泛關注.激光探測作為一種方向性好、抗干擾能力強的主動探測手段,在全天候探測方面有著得天獨厚的優(yōu)勢.研制碎片探測激光光源成為大幅度提高空間碎片探測精度的最直接有效手段.2011年,中國科學院上海光機所Ma等[3]研制了一臺用于空間應用的激光二極管抽運的高效單頻板條激光器.在重復頻率100 Hz,脈寬為11 ns時,輸出的最大能量為800 mJ.2012年,Zhang等[4]報道了中國科學院上海天文臺利用激光測量太空碎片的實驗結果,使用重復頻率20 Hz、能量2 J、脈寬10 ns、波長532 nm的Nd:YAG激光器在900公里內有較強的返回信號,測距精度約為60—80 cm.2014年,Yang等[5]研制了一臺用于空間應用的緊湊型高能Nd:YAG激光器,在重復頻率20 Hz、脈寬13 ns時,激光器輸出的最大脈沖能量為341 mJ.激光器探測能力同時受激光器光束質量、脈沖能量、重復頻率的影響.光束質量會影響空間目標探測與識別能力.激光器脈沖能量越大,重復頻率越高,可探測碎片尺寸越小,即探測能力越強.中國科學院國家天文臺的于歡歡等[6]從理論和仿真角度,對望遠鏡口徑大小、激光探測器脈沖能量及重復頻率與空間碎片大小及探測距離之間的關系進行了分析,為滿足探測微小空間碎片(尺寸為20 cm左右)的需要,建議采用口徑1.2 m以上的望遠鏡和能量在2—3 J之間、重復頻率100 Hz的激光器.

由于此類高能量、高光束質量激光器在激光測距、激光加工和激光武器等方面亦有較多的應用[7?9],已經取得了一系列具有代表性的成果.2004年,Yoshida等[10]報道了利用受激布里淵散射(SBS)進行光束整形的基于閃光燈抽運的Nd:YAG高能激光系統(tǒng).在重復頻率50 Hz時,單脈沖的能量為7.4 J,遠場光束質量為1.5倍衍射極限.2006年,Yang等[11]研制了激光二極管抽運棒狀的Nd:YAG納秒激光器,在重復頻率108 Hz時,激光器的脈寬為230μs,單脈沖能量為5.1 J,M2因子為3.6.同年,華北光電技術研究所固體激光技術國家重點實驗室的孫維娜等[12]介紹了一種激光二極管抽運的高重復頻率、大能量、高光束質量的激光放大系統(tǒng).在重復頻率100 Hz時,脈寬約為20 ns,單脈沖能量約為5 J,遠場光束質量約為5倍衍射極限.

本文研制的用于空間碎片探測的全固態(tài)Nd:YAG激光器,為了獲得高能量、高光束質量的激光輸出,采用主振蕩功率放大的結構.主要包括單縱模種子、預放大單元、相位共軛光束控制單元和功率放大單元四部分.就抽運方式而言,文獻[10]采取的是閃光燈抽運,而本文選用的是激光二極管側面抽運.就輸出光束脈沖寬度而言,參考文獻[11]中激光器的脈沖寬度為μs量級,而本文激光器的脈沖寬度為ns量級.就輸出激光的光束質量而言,參考文獻[12]中激光器的遠場光斑為5倍衍射極限,而本文激光器的遠場光斑為2.12倍衍射極限.此激光器采用了課題組報道過的相似的方案[13,14],尤其是與文獻[15]一樣,在最后一級放大中都采用了分束-放大-合束的方法,但相位共軛光束控制單元的位置不一樣,導致輸出光束有著不同的脈沖波形,遠場光束質量改善取得的效果也不一樣.同時,在文獻[15]中,光束在預放大單元的最后一級即放大器AMP5,AMP6采用雙程放大,而在本文中加大了放大器的抽運電流,采用的是單程放大.在重復頻率100 Hz,單縱模種子注入單脈沖能量10.73μJ的條件下,獲得了3.31 J的能量輸出.輸出激光的光束口徑為?25 mm,脈沖寬度為4.58 ns,遠場光斑為2.12倍衍射極限,能量穩(wěn)定性(RMS)為0.87%.

2 實驗裝置

激光器采用主振蕩-功率放大的方案,主要包括種子源、預放大單元、光束控制單元、功率放大單元四部分,如圖1所示.采用高穩(wěn)定性的單縱模調Q激光器作為種子源,輸出μJ級的脈沖種子激光.預放大單元將種子激光放大到百mJ量級.光束質量控制單元對能量放大過程中熱效應造成的光學畸變進行實時校正.功率放大單元采用分束-放大-偏振合束的方案,實現高增益飽和放大,最終輸出高光束質量的焦耳級激光.

脈沖單頻激光器為半導體抽運的Nd:YAG激光器,采用聲光調制器實現主動調Q,采用標準具實現單縱模運轉,利用壓電陶瓷精確控制諧振腔長,實現ns級脈寬、10μJ級能量、百赫茲重頻的單頻脈沖穩(wěn)定輸出.單頻種子與第一級放大器、各級放大器之間均放置隔離比為500:1的隔離器,防止反向激光逆向放大,產生不必要的能量損失和光學元件損傷.各級放大器間均放置空間濾波器進行高頻濾波,從而消除高頻分量非線性增長引起的小尺度自聚焦.光束傳輸滿足像傳遞關系,經過空間濾波器的成像透鏡組進行保形傳輸,確保輸出高光束質量的激光.種子光在預放大單元共經過三級雙程放大.能量為μJ級的種子激光經透鏡L1準直為?1.5mm后注入系統(tǒng).空間濾波器SF1透鏡的擴束比為1:2.放大器AMP1,AMP2的激光晶體尺寸為?3 mm×67 mm,摻雜濃度為0.8%,抽運脈寬250μs,抽運電流90 A時,儲能為0.152 J.為消除自發(fā)輻射光(ASE)振蕩,所有放大器中的晶體棒兩端面采用2?切角設計.空間濾波器SF2透鏡的擴束比為1:2.2,將光束擴束至?6.6 mm后進入下一級光路.放大器AMP3與AMP4串聯(lián)放置,其增益和熒光分布等參數完全一致,中間插入90?石英旋光器補償高重復頻率下激光放大器的熱致雙折射效應,激光經過90?石英旋光器后偏振態(tài)旋轉90?,徑向偏振態(tài)和切向偏振態(tài)互換,使得兩個放大器的熱退偏互相補償.同時,在放大器之間放置透鏡補償兩個放大器的熱透鏡效應.后級放大器均采用此串聯(lián)結構.放大器AMP3,AMP4的激光晶體尺寸為?6.35 mm×140 mm,摻雜濃度為0.6%,抽運脈寬250μs,抽運電流70 A時,儲能為0.79 J.

激光經AMP3,AMP4單程放大后,進入光束控制單元進行光束波前畸變動態(tài)矯正.光束控制單元由一個聚焦透鏡和一個單布里淵池組成.實驗中選擇超過濾的FC-770作為SBS增益介質,其吸收系數為0.0011 cm?1,光學擊穿閾值高達197.9 GW/cm2,增益系數3.5 cm/GW[16].空間濾波器SF3透鏡的擴束比為3:5,將光束擴束至?11 mm后進入下一級光路.放大器AMP5,AMP6的激光晶體尺寸為?10 mm×140 mm,摻雜濃度為0.8%,抽運脈寬250μs,抽運電流110 A時,儲能為1.46 J.光束控制單元位于?6.35 mm的放大器之后,且經過AMP5,AMP6進行單程放大.

空間濾波器SF4透鏡的擴束比為2:3,將光束擴束至?15 mm后進入PBS1,分束后分別進行能量放大,隨后經PBS2合束后進入擴束比為3:5的空間濾波器SF5,將光束擴束至?25 mm后輸出.采用分束后分別放大的方案,是為了降低放大器的工作電流,減小熱效應對光束質量的影響.放大器AMP7,AMP8,AMP9,AMP10的激光晶體尺寸為?15 mm×140 mm,摻雜濃度為0.6%,抽運脈寬250μs,抽運電流85 A時,儲能為1.3 J.

激光器各放大器輸出通量分布如圖2所示,最大通量出現在AMP8和AMP10放大器輸出端,約達到1.9 J/cm2.次最大通量出現在AMP6輸出端,約達到1.3 J/cm2.在目前的元件損傷閾值條件下不會造成元件的破壞.

圖1 (網刊彩色)實驗光路圖(L為透鏡,FR為法拉第隔離器,HP為1/2波片,AMP為放大器,M為反射鏡,R為90?轉子,SF為空間濾波器)Fig.1.(color online)Experimental setup(L,lens;FR,Faraday rotator;HP,1/2 wave plate;AMP,amplifier;M,mirror;R,90?quartz rotator;SF,spatial filter).

圖2 激光器通量分布Fig.2.Fluence distribution of the Nd:YAG laser.

3 實驗結果

為了補償各放大器的熱透鏡效應,分別測量了各放大器的熱透鏡焦距,如圖3所示.AMP1,AMP2在抽運電流90 A時的熱透鏡焦距為850 mm;AMP3,AMP4在抽運電流70 A時的熱透鏡焦距為750 mm;AMP5,AMP6在抽運電流110 A時的熱透鏡焦距為1000 mm;AMP7,AMP8,AMP9,AMP10在抽運電流85 A時的熱透鏡焦距為2500 mm.

圖3 各放大器的熱透鏡焦距Fig.3.Thermal focal length of each amplifier.

使用示波器(25 G采樣率,帶寬8 GHz的Tektronix示波器DSA70804)與高速光電探測器(Alphalas)測量了經過SBS后激光的脈沖波形以及最終輸出激光的脈沖波形,分別如圖4和圖5所示.工作頻率為100 Hz時,輸出激光的脈沖寬度為4.58 ns,并不呈高斯分布,主要有兩個原因:一是在相位共軛光束控制單元,由于進入SBS池的激光脈寬會被SBS壓縮,脈沖前沿由于增益飽和而上升很快,得到了優(yōu)先放大,在脈沖得到完全放大后,抽運激光脈沖能量幾乎全部轉移到了一個很窄的后向脈沖中,使脈沖波形前沿比后沿陡得多;二是在功率放大單元,由于增益飽和效應,當脈沖能量接近飽和通量時,脈沖前沿對晶體內儲能進行優(yōu)先提取,導致后沿提取的儲能較少,使脈沖波形前沿比后沿陡.

圖4 經SBS后的時間脈沖波形圖Fig.4.Pulse waveform diagram after SBS.

圖5 輸出激光的時間脈沖波形圖Fig.5.Pulse waveform diagram of the output laser.

在激光器運行3 min后,輸出能量3.31 J時,測量了輸出激光的遠場分布,如圖6所示.測試透鏡焦距1000 mm,使用的CCD為LASERCAM HR,像素大小為6.5μm.測得遠場光斑86.5%能量的光斑直徑為2.12倍衍射極限.使用能量計(Labmaxtop/J-50 MB-YAG)測量了輸出激光的能量.由單頻種子輸出的10.73μJ的單脈沖激光經過預放大單元和功率放大單元后被放大到3.31 J.測量了300 s內輸出激光的能量,如圖7所示,其能量穩(wěn)定性(RMS)為0.87%.

圖6 (網刊彩色)輸出光束遠場分布 (a)三維;(b)二維Fig.6.(color online)Output spot far-field distribution:(a)2D;(b)3D.

圖7 5 min內激光的輸出能量Fig.7.Output energy in 5 minutes.

4 結 論

本文針對空間碎片探測所需的高能量、高光束質量Nd:YAG激光器進行了研究.激光器采用MOPA結構,由單頻種子輸出的單縱模激光經過預放大單元、功率放大單元進行能量放大,并利用受激布里淵相位共軛鏡進行光束波前畸變動態(tài)矯正.重復頻率100 Hz時,輸出激光的脈沖寬度為4.58 ns,光束口徑為25 mm,單脈沖能量為3.31 J.激光器的光光效率約為48%,具有良好的光束質量,能量穩(wěn)定性(RMS)為0.87%,遠場光斑的光束質量為2.12倍衍射極限.與文獻[16]對比發(fā)現,SBS相位共軛鏡在高能激光器中放置于不同的位置會導致輸出光束有著不同的脈沖波形及遠場光束質量.本文對高能激光器的設計有著重要的指導意義.

[1]Dong J H,Hu Q Q 2007Chin.Opt.Lett.5 S176

[2]Nalezyty M,Majczyna A,Wawrzaszek R,Sokolowski M 2010Proc.SPIE7745 S178

[3]Ma X,Wang J,Zhou J,Zhu X,Chen W 2010Appl.Phys.B103 809

[4]Zhang Z P,Yang F M,Zhang H F,Wu Z B,Chen J P,Li P,Meng W D 2012Res.Astron.Astrophys.12 212

[5]Yang H L,Meng J Q,Ma X H,Chen W B 2014Chin.Opt.Lett.12 96

[6]Yu H H,Gao P Q,Shen M,Guo X Z,Yang D T,Zhao Y 2016Astronomical Research&Technology14 416(in Chinese)[于歡歡,高鵬騏,沈鳴,郭效忠,楊大陶,趙有2016天文研究與技術14 416]

[7]Biro E,Weckman D C,Zhou Y 2002Metall.Mater.Trans.A33 2019

[8]Andrebe Y,Behn R,Duval B P,Etienne P,Pitzschke A 2011Fusion Eng.Des.86 1273

[9]Kim Y G,Lee J H,Lee J W,An Y H,Dang J J,Jo J M,Lee H Y,Chung K J,Hwang Y S,Na Y S 2015Fusion Eng.Des.96–97 882

[10]Yoshida H,Nakatsuka M,Hatae T,Kitamura S,Sakuma T,Hamano T 2004Jpn.J.Appl.Phys.43 L1038

[11]Yang X D,Bo Y,Peng Q J,Zhang H L,Geng A C,Cui Q J,Sun Z P,Cui D F,Xu Z Y 2006Opt.Commun.226 39

[12]Sun W N,Wang W L,Bi G J,Zhu C,Yang W S 2006Chinese J.Lasers33(suppl.)20(in Chinese)[孫維娜,王偉力,秘國江,朱辰,楊文是2006中國激光33(suppl.)20]

[13]Qiu J S,Tang X X,Fan Z W,Wang H C 2016Opt.Commun.368 1

[14]Qiu J S,Tang X X,Fan Z W,Wang H C,Liu H 2016Appl.Opt.55 21

[15]Qiu J S,Tang X X,Fan Z W,Chen Y Z,Ge W Q,Wang H C,Liu H 2016Acta Phys.Sin.65 154204(in Chinese)[邱基斯,唐熊忻,樊仲維,陳艷中,葛文琦,王昊成,劉昊2016物理學報65 154204]

[16]Hasi W L J,Qiao Z,Cheng S X,Wang X Y,Zhong Z M,Zheng Z X,Lin D Y,He W M,Lu Z W 2013Opt.Commun.311 375

PACS:42.55.–f,42.55.Xi,42.60.By,42.60.Jf DOI:10.7498/aps.66.054205

A 100 Hz 3.31 J all-solid-state high beam quality Nd:YAG laser for space debris detecting?

Fan Zhong-Wei1)2)4)?Qiu Ji-Si1)2)3)?Tang Xiong-Xin1)2)3)Bai Zhen-Ao1)2)3)Kang Zhi-Jun1)2)3)Ge Wen-Qi1)2)3)Wang Hao-Cheng1)2)Liu Hao1)Liu Yue-Liang1)

1)(Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China)
2)(National Engineering Research Center for DPSSL,Beijing 100094,China)
3)(Zhongkeheguang Applied Laser Technology Institute Company,Ltd.Tianjin 300304,China)
4)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

28 September 2016;revised manuscript

13 December 2016)

With the rapid development of space technology,human activities into space are increasing,thereby producing lots of space debris.And the space debris impact is the major cause for the mechanical damage to the space crafts and the main factor affecting the service life;it even endangers the life safety of the astronauts working outside the spacecraft and pose a threat to the astronomical observation and studies.Thus,the monitoring and early warning of space debris are gradually attracting wide attention.Obviously,laser detection as a good-directivity and strong anti-jamming active detecting means has a unique advantage in terms of a round-the-clock detection.Therefore,the developing of debris-detecting laser beam source becomes the most direct and effective means for increasing the space debris detection accuracy.The laser detecting ability is restricted by the laser beam quality,the pulse energy and the repetition frequency at the same time.The beam quality could affect the ability to detect and recognize space target.The bigger the laser pulse energy,the higher the repetition frequency and the smaller the detectable debris,the stronger the detecting ability will be.A good detection effect could be achieved at 80–100 Hz laser pulse repetition frequency.A further increase of the repetition frequency will greatly increase the difficulty and cost accordingly but the improvement of the detection performance is not obvious at all.Thus,repetition frequency around 100 Hz becomes the best choice for laser space debris detection.Based on the laser diode side-pumped rod-shaped amplifier,a high-repetition-frequency and high-beam-quality of joule level Nd:YAG nanosecond laser for space debris detection is developed in this work.The laser adopts MOPA structure,mainly including single longitudinal mode,pre-amplifier unit,SBS phase-conjugate beam control unit and energy extraction unit.In the energy extraction unit,beam splitting-amplifying-combining is adopted for reducing the thermal effect on beam quality by reducing the working current of the amplifier.Under the condition of 100 Hz high repetition frequency and 10.73μJ single pulse energy injected by the single longitudinal mode seed,3.31 J output energy is gained.The output laser beam has a 4.58 ns pulse width,far field beam spot of 2.12 times the value of the diffraction limit,and 0.87%energy stability(RMS).

diode-pumped,high repetition,nanosecond laser,high beam quality

PACS:42.55.–f,42.55.Xi,42.60.By,42.60.Jf

10.7498/aps.66.054205

?國家重大科研裝備研制項目(批準號:ZDYZ2013-2)、科技部創(chuàng)新人才推進計劃重點領域創(chuàng)新團隊(批準號:2014RA4051)和中國科學院青年創(chuàng)新促進會資助的課題.

?通信作者.E-mail:fanzhongwei@aoe.ac.cn

?通信作者.E-mail:keith0311@163.com

*Project supported by the Special Fund for Research on National Major Research Instruments and Facilities of the National Natural Science Fundation of China(Grant No.ZDYZ2013-2),China Innovative Talent Promotion Plans for Innovation Team in Priority Fields(Grant No.2014RA4051),and the Youth Innovation Promotion Association,Chinese Academy of Sciences.

?Corresponding author.E-mail:fanzhongwei@aoe.ac.cn

?Corresponding author.E-mail:keith0311@163.com