孟俊清 張?chǎng)?蔣靜 吳姚芳 謝可迪 魏森濤 王晉偉 王志君 陳衛(wèi)標(biāo)

(中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 空間激光通信及檢驗(yàn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201800)

高分七號(hào)(GF-7)衛(wèi)星搭載的激光測(cè)高儀主要用于星下廣義高程控制點(diǎn)的測(cè)量，協(xié)同立體測(cè)繪相機(jī)工作完成1∶10 000比例尺測(cè)繪。測(cè)高儀包含2個(gè)波束，每個(gè)波束為獨(dú)立發(fā)射的一臺(tái)激光器，為了提高系統(tǒng)可靠性，每個(gè)波束還冷備份了一臺(tái)激光器，因此測(cè)高儀安裝了4臺(tái)激光器。測(cè)高儀對(duì)激光器提出的主要技術(shù)要求包括激光脈沖能量達(dá)到180 mJ和激光的重復(fù)頻率為3 Hz。為了在有限發(fā)射口徑下實(shí)現(xiàn)小的激光足印，對(duì)激光光束質(zhì)量因子(M2)提出了小于2.5的要求。此外，衛(wèi)星在軌工作時(shí)間長達(dá)8年，對(duì)激光器的壽命要求也是截至目前最長的。與國內(nèi)外同類的空間激光器相比，GF-7衛(wèi)星測(cè)高儀的激光器指標(biāo)要求都是比較高的。

激光器用于空間探測(cè)可以追溯到20世紀(jì)70年代，美國阿波羅15號(hào)(Appolo-15)上首次搭載了基于紅寶石激光器的激光測(cè)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(jì)80年代末期大功率激光二極管技術(shù)的進(jìn)步，泵浦源被激光二極管替代。世界上第1臺(tái)空間全固態(tài)激光器是1992年NASA發(fā)射的火星探測(cè)器搭載的火星觀測(cè)者激光高度計(jì)(MOLA)[2]。中國的第1臺(tái)空間全固態(tài)激光器是2007年發(fā)射的嫦娥一號(hào)所搭載的激光高度計(jì)激光器，該激光器采用的是激光二極管(LD)，陣列側(cè)面泵浦Nd:YAG電光調(diào)Q技術(shù)路線。在隨后的嫦娥二期工程中，除了搭載用于測(cè)距的全固態(tài)激光器外，還搭載了用于對(duì)著陸區(qū)三維地貌進(jìn)行成像的光纖激光器。在對(duì)地觀測(cè)方面，NASA在2003年發(fā)射了“冰衛(wèi)星”(ICESat)，衛(wèi)星上搭載了地球科學(xué)激光高度計(jì)系統(tǒng)(GLAS)[3]，主要用于監(jiān)測(cè)兩極的冰蓋厚度變化，同時(shí)也可測(cè)量大氣氣溶膠和云。GLAS采用的激光器是基于LD泵浦的被動(dòng)調(diào)Q板條激光器，同時(shí)輸出1064 nm和532 nm的激光脈沖。NASA還于2009年發(fā)射了用于探測(cè)大氣氣溶膠的“云-氣溶膠激光雷達(dá)和紅外開拓者衛(wèi)星觀測(cè)”(CALIPSO)，該激光雷達(dá)采用的是單級(jí)振蕩輸出的電光調(diào)Q板條激光器，經(jīng)過倍頻后同時(shí)輸出532 nm綠光和1064 nm基頻光[4]。2018年NASA發(fā)射了ICESat-2任務(wù)，其上搭載了基于光子計(jì)數(shù)法測(cè)高的先進(jìn)地形激光高度計(jì)系統(tǒng)(ATLAS)[5]，該載荷的激光器采用了主振蕩器+功率放大器(MOPA)結(jié)構(gòu)，其中振蕩器采用LD端面泵浦的電光調(diào)Q單頻激光器。同樣是2018年，ESA發(fā)射了“風(fēng)神”(Aeolus)衛(wèi)星，搭載了首個(gè)全球風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的大氣激光多普勒雷達(dá)(ALADIN)，該載荷采用的激光器是基于MOPA結(jié)構(gòu)的單頻紫外Nd：YAG激光器[6]。

GF-7衛(wèi)星測(cè)高儀激光器從2015年開始研制，最終交付了2個(gè)波束共4臺(tái)飛行件激光器(每個(gè)波束包括1臺(tái)主份、1臺(tái)冷備份)。本文主要介紹了該激光器的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)結(jié)果，該設(shè)計(jì)方案可用于深空探測(cè)、對(duì)地觀測(cè)及機(jī)載激光測(cè)距等領(lǐng)域的激光器。

1 激光器設(shè)計(jì)

測(cè)高儀對(duì)激光器提出的主要技術(shù)要求如表1所示。按照這些技術(shù)要求，采用嫦娥一號(hào)激光測(cè)高儀激光器的技術(shù)路線，盡管能夠在輸出能量上滿足要求，但是由于嫦娥一號(hào)測(cè)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(hào)激光測(cè)高儀激光器采用單級(jí)振蕩器，光束質(zhì)量也很難滿足要求。因此，GF-7衛(wèi)星測(cè)高儀激光器采用一級(jí)振蕩器+兩級(jí)放大器的技術(shù)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(tái)激光器包括激光器光學(xué)頭部、激光驅(qū)動(dòng)電子學(xué)組件和激光控制器三部分。4臺(tái)激光器頭部獨(dú)立安裝，4臺(tái)激光器的驅(qū)動(dòng)器之間完全獨(dú)立，每個(gè)激光器都有完整的控制器和LD驅(qū)動(dòng)器。在實(shí)際使用中，將全部4臺(tái)激光器的驅(qū)動(dòng)電子學(xué)分為2個(gè)結(jié)構(gòu)安裝，一個(gè)是激光控制器，一個(gè)是激光驅(qū)動(dòng)電子學(xué)組件。

激光器每一級(jí)的增益介質(zhì)均采用Nd:YAG板條，這樣可以使用工業(yè)上大量應(yīng)用的G封裝的LD陣列進(jìn)行泵浦。這種G封裝的LD陣列普遍采用金錫焊料進(jìn)行封裝，壽命可達(dá)1×109甚至1×1010次，完全能夠滿足任務(wù)的壽命指標(biāo)要求。此外，采用之字形板條作為增益介質(zhì)，可以減小熱效應(yīng)對(duì)光束質(zhì)量的影響，提高激光光束質(zhì)量。首先，以小能量的振蕩級(jí)實(shí)現(xiàn)激光光束M2在1.5以內(nèi)，再通過兩級(jí)之字形板條放大器實(shí)現(xiàn)180 mJ激光脈沖能量，并將激光光束M2控制在2.0以內(nèi)。激光器的光路示意如圖2所示。

為了防止真空下有機(jī)揮發(fā)物對(duì)激光光學(xué)元件表面造成污染，激光器的光學(xué)頭部采用密封設(shè)計(jì)，內(nèi)部氣壓維持在0.12 MPa，并在內(nèi)部安裝壓力傳感器對(duì)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖3為交付正樣飛行件的4臺(tái)激光器光學(xué)頭部。圖4(a)為交付正樣飛行件的激光驅(qū)動(dòng)電子學(xué)組件,內(nèi)部包含4臺(tái)激光器的振蕩級(jí)和預(yù)放級(jí)驅(qū)動(dòng)電路；圖4(b)為激光控制器，包含所有4臺(tái)激光器的二次電源和主控，以及主放級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。交付的4臺(tái)激光器的主要性能指標(biāo)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(xué)頭部正樣飛行件Fig.3 Photograph of flight lasers optical head

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

表2 交付時(shí)4臺(tái)激光器的主要性能指標(biāo)Table 2 Main parameters of 4 flight lasers

激光器光學(xué)頭部采用主振蕩-功率放大結(jié)構(gòu)，下面分別對(duì)激光器光學(xué)頭部各部分設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1.1 振蕩級(jí)

振蕩級(jí)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(gè)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(gè)端面均切割為布儒斯特角。為了提高泵浦光的吸收率，在遠(yuǎn)離泵浦光的另一個(gè)大面上鍍有808 nm高反膜，這個(gè)面同時(shí)作為晶體與熱沉的焊接面，這樣可以使晶體的溫度梯度對(duì)光束質(zhì)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(jí)采用的泵浦源為雙巴的LD陣列，每個(gè)LD巴條的峰值功率都可以達(dá)到150 W，實(shí)際工作降額至約90 W，泵浦脈寬為200 μs。得益于衛(wèi)星熱控技術(shù)的進(jìn)步，采用環(huán)路熱管對(duì)激光器進(jìn)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(shù)約為0.25 nm/℃，在工作溫度范圍內(nèi)的波長漂移量低于1 nm，因此激光器內(nèi)沒有再對(duì)振蕩級(jí)LD單獨(dú)進(jìn)行主動(dòng)溫控。為了保持4臺(tái)激光器的工作溫度一致，對(duì)LD進(jìn)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(nèi)的LD陣列進(jìn)行裝機(jī)，這樣可將4臺(tái)激光器的中心工作溫度差異控制在1.0 ℃以內(nèi)。振蕩級(jí)采用Cr4+:YAG晶體被動(dòng)調(diào)Q，所選擇的初始透過率為35%～40%。采用被動(dòng)調(diào)Q，一方面，可以省略電光調(diào)Q所需的高壓驅(qū)動(dòng)電源，降低激光器的復(fù)雜度；另一方面，被動(dòng)調(diào)Q具有縱模的自然選擇性[8]，這樣可以使激光器在多數(shù)情況下單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。

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

振蕩級(jí)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(jí)輸出端約10 cm處測(cè)得的近場(chǎng)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(cè)得的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑，振蕩級(jí)輸出的激光發(fā)散角為2.1 mrad，激光光束M2達(dá)到約1.3。

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

1.2 預(yù)放級(jí)

振蕩級(jí)輸出的脈沖首先經(jīng)過一個(gè)空間光隔離器，將振蕩級(jí)光路與放大級(jí)隔離。經(jīng)過隔離器后的激光偏振方向仍然為S偏振。然后，經(jīng)過一個(gè)1.9倍的擴(kuò)束鏡對(duì)光束進(jìn)行擴(kuò)束，再經(jīng)過PBS進(jìn)入預(yù)放級(jí)板條。預(yù)放級(jí)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(zhì)膜。S偏振的激光經(jīng)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(shí)偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，以P偏振再次進(jìn)入之字形板條進(jìn)行放大，放大后的能量約為25 mJ。

預(yù)放級(jí)的LD為3組陣列，每組陣列4個(gè)巴條，同樣每個(gè)巴條工作降額在約90 W。預(yù)放級(jí)LD以之字形板條的一個(gè)全內(nèi)反射面為泵浦面，另一個(gè)全內(nèi)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(yù)放級(jí)近場(chǎng)輸出光斑?？梢钥吹剑簣D6(a)中的近場(chǎng)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(yuǎn)場(chǎng)光斑，測(cè)試的輸出激光能量為21 mJ，發(fā)散角為1.2 mrad，此時(shí)的激光光束M約為1.4。

圖6 預(yù)放級(jí)輸出光斑形狀Fig.6 Beam shape after pre-amplifier

1.3 主放級(jí)

預(yù)放級(jí)的光斑經(jīng)過2.5倍擴(kuò)束鏡，光斑達(dá)到約5 mm后進(jìn)入主放級(jí)。主放級(jí)增益介質(zhì)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(nèi)反射點(diǎn)，這樣獲得較高的提取效率。本文設(shè)計(jì)共采用12個(gè)LD陣列(見圖7)，每個(gè)陣列6個(gè)巴條，每個(gè)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(gè)模塊，串聯(lián)工作使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，因此主放級(jí)LD采用2個(gè)LD驅(qū)動(dòng)電路。主放級(jí)板條采用2個(gè)全內(nèi)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(fù)頻率只有3 Hz，不會(huì)發(fā)生熱累積，因此沒有明顯的熱透鏡效應(yīng)。經(jīng)過放大后的脈沖再經(jīng)過4倍擴(kuò)束鏡，發(fā)散角壓縮至約0.13 mrad后，再經(jīng)過藍(lán)寶石密封窗口輸出。

主放級(jí)輸出后經(jīng)過4倍擴(kuò)束鏡盒輸出窗口后的光斑如圖8所示?？梢钥吹剑河捎谥鞣挪捎脝瓮ǚ糯螅?個(gè)方向的光斑尺寸不一致，近場(chǎng)光斑為橢圓形；主放輸出后的經(jīng)過4倍擴(kuò)束鏡的發(fā)散角為0.15 mrad，由于擴(kuò)束鏡次鏡的硬邊衍射效應(yīng)，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑邊緣有類似拖尾現(xiàn)象；經(jīng)過主放級(jí)后的激光光束M2的2個(gè)方向分別為1.55和1.79(見圖9)。

圖7 主放級(jí)泵浦結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Bock diagram of power amplifier

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

圖9 主放級(jí)輸出激光光束質(zhì)量因子Fig.9 Output M2 of MOPA

2 激光驅(qū)動(dòng)電子學(xué)

GF-7衛(wèi)星測(cè)高儀激光器的激光電子學(xué)主要功能是：將輸入電源轉(zhuǎn)換為所需的二次電源，控制各級(jí)LD陣列的驅(qū)動(dòng)電流，開啟激光器，采集激光器的遙測(cè)量，監(jiān)測(cè)激光器健康狀態(tài)，并與測(cè)高儀控制器進(jìn)行通信。激光器驅(qū)動(dòng)電子學(xué)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(jí)與預(yù)放級(jí)LD的儲(chǔ)能電容充電共用電源，振蕩級(jí)和預(yù)放級(jí)LD驅(qū)動(dòng)電路為傳統(tǒng)的恒流源電路，由FPGA輸出電流控制信號(hào)，導(dǎo)通大功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)，使儲(chǔ)能電容對(duì)LD陣列放電。LD驅(qū)動(dòng)電路的工作電流設(shè)置上限達(dá)到120 A，實(shí)際工作在約100 A。5 V電源為主控板數(shù)字電路供電電源。±12 V電源給能量探測(cè)以及各級(jí)恒流驅(qū)動(dòng)電路供電。100 V電源為主放級(jí)LD的儲(chǔ)能電容充電電源。主放級(jí)LD包含2路獨(dú)立恒流源驅(qū)動(dòng)電路，這2路驅(qū)動(dòng)電路的電流控制信號(hào)為FPGA輸出的同一個(gè)信號(hào)，并且共用一個(gè)100 V電源。100 V電源在激光器控制器上電后1 s內(nèi)自動(dòng)使能輸出，輸出電壓可根據(jù)實(shí)際需要在一定范圍內(nèi)通過調(diào)壓電阻的阻值調(diào)整，根據(jù)MOSFET的壓降情況實(shí)際工作為95 V。

FPGA主控板含有一個(gè)軟件配置項(xiàng)，由上位機(jī)通過參數(shù)設(shè)置指令控制激光器的各級(jí)工作電流。振蕩級(jí)LD電流采用閉環(huán)控制，預(yù)放級(jí)和主放級(jí)LD電流為開環(huán)控制。FPGA主控板采集的遙測(cè)量包括激光器3級(jí)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(nèi)部壓力等。其中，5 V電源和振蕩級(jí)LD溫度作為遙測(cè)量直接送給衛(wèi)星總控，其余15個(gè)模擬量測(cè)量值作為激光器內(nèi)測(cè)量，所有監(jiān)測(cè)的信號(hào)如表3所示。15個(gè)內(nèi)測(cè)量中，溫度的正常范圍設(shè)定為10～30 ℃，超過此溫度范圍，判斷為異常，軟件會(huì)自動(dòng)保護(hù)，激光器不能開啟。同樣，電壓遙測(cè)也設(shè)定了正常范圍，超出范圍，軟件會(huì)報(bào)告激光器狀態(tài)異常，不能正常開機(jī)。由于激光器頭部結(jié)構(gòu)采用密封設(shè)計(jì)，并且要保證在軌8年，因此內(nèi)置了一個(gè)壓阻式精密壓力傳感器，測(cè)量靈敏度為0.01個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

表3 激光器遙測(cè)信號(hào)Table 3 Laser telemetry signals

3 在軌測(cè)試情況

激光器2019年11月隨GF-7衛(wèi)星發(fā)射后，根據(jù)回波強(qiáng)度把在軌發(fā)射能量調(diào)整為約100 mJ。實(shí)際在軌運(yùn)行激光器工作時(shí)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(wěn)定運(yùn)行，不采用半導(dǎo)體致冷器(TEC)對(duì)LD進(jìn)行主動(dòng)溫控的技術(shù)選擇是正確的。激光器開機(jī)后各項(xiàng)遙測(cè)數(shù)據(jù)均正常，經(jīng)過6個(gè)月的在軌運(yùn)行，輸出能量正常，見圖11。這表明激光器的密封設(shè)計(jì)以及防污染措施有效，能夠保證激光器的壽命滿足任務(wù)需求。

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

4 結(jié)束語

GF-7衛(wèi)星測(cè)高儀激光器采用一級(jí)振蕩器+兩級(jí)放大器的MOPA結(jié)構(gòu)的板條激光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸出能量180 mJ，脈沖寬度4～5 ns，光束質(zhì)量因子M2小于2的輸出，4臺(tái)激光器的輸出能量穩(wěn)定度均在1.2%以內(nèi)。激光器在軌能量輸出正常，并且輸出光束指向達(dá)到亞微弧度量級(jí)，為測(cè)高儀全面實(shí)現(xiàn)既定測(cè)距指標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。