張?chǎng)?孟俊清 劉經(jīng)啟 吳姚芳 施君杰 賴寧安 夏浩偉 宋鐵強(qiáng) 劉丹 楊成 王明建 侯霞 陳衛(wèi)標(biāo)

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星多波束激光雷達(dá)激光器設(shè)計(jì)

張?chǎng)?孟俊清 劉經(jīng)啟 吳姚芳 施君杰 賴寧安 夏浩偉 宋鐵強(qiáng) 劉丹 楊成 王明建 侯霞 陳衛(wèi)標(biāo)

（中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800）

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星多波束激光雷達(dá)用于森林碳匯遙測(cè)，通過計(jì)算激光到達(dá)樹冠和地面的時(shí)間差獲取高精度的植被高度。激光器作為多波束激光雷達(dá)的發(fā)射光源，是其核心和關(guān)鍵部件。激光雷達(dá)對(duì)光源的需求是高光束品質(zhì)、高脈沖重復(fù)頻率的大能量納秒脈沖激光。激光器采用主振蕩功率放大的技術(shù)路線，振蕩級(jí)為正交雙Porro被動(dòng)調(diào)Q超穩(wěn)諧振腔構(gòu)型，輸出重復(fù)頻率40Hz、脈沖寬度約4ns、單脈沖能量約2mJ的單頻脈沖激光；放大級(jí)采用板條放大技術(shù)，獲得單脈沖能量75mJ、光束品質(zhì)因子2優(yōu)于1.5的激光輸出，達(dá)到雷達(dá)所需光源指標(biāo)要求，證明該激光器設(shè)計(jì)合理，可作為高重頻對(duì)地遙感類激光光源的設(shè)計(jì)參考。

被動(dòng)調(diào)Q 板條放大 空間全固態(tài)激光器 多波束激光雷達(dá) 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星 航天遙感

0 引言

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星是世界首顆森林碳匯主被動(dòng)聯(lián)合觀測(cè)的遙感衛(wèi)星，能實(shí)現(xiàn)對(duì)森林植被生物量、氣溶膠分布、葉綠素?zé)晒獾母呔榷窟b感測(cè)量[1]。多波束激光雷達(dá)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的主載荷，主要用于獲取高精度的植被高度，通過計(jì)算激光到達(dá)樹冠以及地面的時(shí)間差，計(jì)算出樹木的高度。多波束激光雷達(dá)配置5波束激光，每個(gè)波束為獨(dú)立發(fā)射的一臺(tái)全固態(tài)激光器。

空間激光器的發(fā)展與空間應(yīng)用系統(tǒng)緊密相關(guān)，人類第一臺(tái)激光器發(fā)明后10余年就開始應(yīng)用于太空環(huán)境，1971年，“阿波羅15號(hào)”搭載的激光高度計(jì)采用閃光燈泵浦的紅寶石調(diào)Q激光器，工作波長(zhǎng)694.3nm、單脈沖能量200mJ、脈沖寬度為10ns、重復(fù)頻率為3.75脈沖/min[2]。紅寶石晶體是當(dāng)時(shí)激光晶體中最成熟的激光介質(zhì)，且僅能采用氙燈泵浦，因此該激光器重復(fù)頻率低、體積、質(zhì)量都相對(duì)較大，但在空間應(yīng)用激光器歷史上，該激光器的研制具有開創(chuàng)性意義。從20世紀(jì)90年代開始，空間激光器開始廣泛地應(yīng)用于對(duì)地遙感[3-8]、月球探測(cè)[9-13]、火星探測(cè)[14-15]、水星探測(cè)[16]，普遍采用激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器（Diode Pumped Solid State Laser，DPSSL），使固體激光器的整體質(zhì)量、體積、效率得到了極大改善。

相較于地面激光器，空間激光器運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，需經(jīng)受嚴(yán)酷的力學(xué)振動(dòng)環(huán)境考驗(yàn)，需要在真空、失重、太空輻照等條件下保持長(zhǎng)壽命且穩(wěn)定的激光輸出。2003年，NASA發(fā)射的地球科學(xué)激光高度計(jì)系統(tǒng)（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS）搭載3臺(tái)激光器，首次將被動(dòng)調(diào)Q的Nd: YAG激光器應(yīng)用于空間環(huán)境，通過倍頻同時(shí)獲得75mJ的1 064nm基頻光與35mJ的532nm倍頻光輸出，重復(fù)頻率為40Hz[4]。GLAS激光高度計(jì)中的三臺(tái)激光器在軌工作時(shí)都出現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)激光能量快速下降的現(xiàn)象。經(jīng)過后續(xù)分析認(rèn)為，主要原因是全固態(tài)激光器中的泵浦激光二極管在真空環(huán)境的合金化導(dǎo)致連接電極的金絲斷裂[17]。雖然GLAS激光器在軌表現(xiàn)不夠完美，但其驗(yàn)證了多項(xiàng)激光雷達(dá)技術(shù)，為后續(xù)空間長(zhǎng)壽命大能量激光器提供設(shè)計(jì)參考。2006年，NASA發(fā)射云、氣溶膠激光雷達(dá)及紅外導(dǎo)航衛(wèi)星觀測(cè)航天器（Cloud Aerosol LiDAR and Infrared Pathfinder Satellite Observations，CALIPSO），采用單級(jí)振蕩輸出的電光調(diào)Q板條激光器，發(fā)射波長(zhǎng)為1 064nm及其倍頻的532nm，能量均為110mJ，重復(fù)頻率20Hz[18]。CALIPSO主份激光器在軌3年內(nèi)能量下降7%，但由于密封性能下降，2009年2月切換至備份激光器，3年內(nèi)能量下降11%[19]。2018年，歐洲航空局發(fā)射的ALADIN（Atmospheric LAser Doppler INstrument）激光器采用種子注入Nd:YAG板條放大獲得單縱模1 064nm激光，再經(jīng)三倍頻獲得355nm激光，單脈沖能量為180mJ，脈沖重復(fù)頻率50Hz，脈沖寬度20ns[6]。ALADIN攜帶的2臺(tái)激光器在軌出現(xiàn)了不同程度的能量下降，其中主份激光器能量下降較快，原因分析為振蕩級(jí)失諧[20]。

為了獲得更高密度的遙測(cè)數(shù)據(jù)，激光雷達(dá)對(duì)激光器的脈沖重復(fù)頻率和激光波束數(shù)提出更高的要求。2018年，美國NASA發(fā)射的先進(jìn)地形激光測(cè)高儀（Advanced Topographic Laser Altimeter System，ATLAS）搭載一主一備兩臺(tái)激光器，振蕩級(jí)采用電光調(diào)Q、半導(dǎo)體激光端面泵浦的Nd:YVO4晶體獲得重復(fù)頻率為10kHz、能量200μJ、脈寬小于1.5ns的單縱模激光輸出，三級(jí)放大后經(jīng)過倍頻獲得能量調(diào)節(jié)范圍為250μJ～1.2mJ、脈寬<1.5ns的532nm激光[7]。預(yù)計(jì)于2025年發(fā)射的低地球軌道激光成像雷達(dá)（LiDAR Surface Topography，LIST）激光器計(jì)劃采用1 000波束的重復(fù)頻率為10kHz的微脈沖脈沖激光輸出[21]，目標(biāo)是獲得高密度的遙測(cè)數(shù)據(jù)。

多波束激光雷達(dá)激光器的主要技術(shù)要求包括激光脈沖能量達(dá)到75mJ、激光的重復(fù)頻率為40Hz、激光光束品質(zhì)因子2小于1.5。此外，對(duì)激光器的壽命要求為在軌工作時(shí)間8年，單臺(tái)累積脈沖發(fā)射次數(shù)1×109次。相較于“高分七號(hào)”衛(wèi)星測(cè)高儀激光器[8]，對(duì)激光器的重復(fù)頻率、平均功率及累積脈沖發(fā)射次數(shù)提出更高的要求。本文描述多波束激光雷達(dá)激光器設(shè)計(jì)、研制及壽命試驗(yàn)情況。

圖1 單臺(tái)激光器組成框圖

表1 激光器主要技術(shù)指標(biāo)

1 激光器設(shè)計(jì)

多波束激光雷達(dá)配備5臺(tái)激光器，同時(shí)工作發(fā)射5波束激光。5臺(tái)激光器之間相互獨(dú)立，可以根據(jù)指令獨(dú)立加斷電。單臺(tái)激光器包括激光器光學(xué)頭部和激光器控制驅(qū)動(dòng)模塊兩部分，激光器光學(xué)頭部包括激光振蕩級(jí)光學(xué)系統(tǒng)、激光放大級(jí)光學(xué)系統(tǒng)、能量及壓力探測(cè)電路；激光器控制驅(qū)動(dòng)模塊包括激光器二次電源、主控電路、驅(qū)動(dòng)電路及電容電路。單臺(tái)激光器的組成框圖如圖1所示。

單臺(tái)激光器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，對(duì)激光能量、重復(fù)頻率、指向穩(wěn)定性、相對(duì)同步信號(hào)的出光時(shí)刻抖動(dòng)及在軌壽命提出很高要求。

激光器采用主振蕩功率放大（Master Oscillator Power Amplifier，MOPA）的技術(shù)路線，為了在激光的時(shí)間特性和空間特性上均獲得良好的輸出，振蕩級(jí)采用被動(dòng)調(diào)Q的正交雙Porro腔激光器，輸出近衍射極限的小能量激光脈沖，再通過板條放大器對(duì)脈沖進(jìn)行放大，光路示意圖如圖2所示。

圖2 激光器光路示意圖

激光的行進(jìn)方向?yàn)椋弘pPorro被動(dòng)調(diào)Q偏振耦合振蕩級(jí)輸出垂直偏振、單脈沖能量2mJ、脈沖寬度約4ns、重復(fù)頻率40Hz、光斑1.2mm，發(fā)散角2.4mrad的激光；使用空間光隔離器將振蕩級(jí)光路與放大級(jí)隔離，防止放大級(jí)及后續(xù)光路對(duì)振蕩級(jí)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。經(jīng)過隔離器后的激光偏振方向仍然為垂直偏振光，再經(jīng)過3倍擴(kuò)束鏡將光斑直徑擴(kuò)到3.5mm，經(jīng)過偏振分光棱鏡（Polarization Beamsplitter，PBS）進(jìn)入板條放大級(jí)。放大級(jí)為偏振雙程放大設(shè)計(jì)，單程通過時(shí)為垂直偏振光，經(jīng)由一個(gè)Porro棱鏡和0.57λ波片組成全反鏡反射后光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)為水平偏振光，經(jīng)過板條二次放大后穿過PBS輸出，放大后的激光參數(shù)為能量75mJ、脈寬約4ns、發(fā)散角0.8mrad；最后經(jīng)過2倍擴(kuò)束鏡輸出，光斑約為4mm，發(fā)散角約為0.4mrad。

激光器收到雷達(dá)系統(tǒng)的同步信號(hào)后經(jīng)過時(shí)間輸出激光脈沖，=delay+L+Δ。其中，delay為激光器泵浦電流相對(duì)同步觸發(fā)的延時(shí)量，調(diào)節(jié)范圍是20μs～520μs；調(diào)節(jié)精度為2μs，可由雷達(dá)系統(tǒng)依據(jù)工作時(shí)序參數(shù)設(shè)置；L是激光器泵浦電流脈寬，為200μs；Δ是激光脈沖出光抖動(dòng)。被動(dòng)調(diào)Q激光器中，產(chǎn)生調(diào)Q脈沖的時(shí)刻有一定的隨機(jī)性，通過閉環(huán)控制振蕩級(jí)泵浦電流大小改變腔內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)出光時(shí)刻，使出光脈沖的相對(duì)抖動(dòng)量Δ小于15μs。

激光器設(shè)有兩個(gè)能量探測(cè)點(diǎn)，采用兩個(gè)光電探測(cè)器分別對(duì)振蕩級(jí)激光和放大后的輸出激光進(jìn)行能量探測(cè)。振蕩級(jí)的能量探測(cè)為粗探測(cè)，僅探測(cè)振蕩級(jí)激光的有無，用于振蕩級(jí)電流的閉環(huán)控制：將初始電流設(shè)為振蕩級(jí)出光閾值電流以下，此時(shí)探測(cè)器測(cè)不到激光脈沖，由激光器控制器FPGA軟件控制激光器控制器逐漸增大振蕩級(jí)電流，直到能量探測(cè)電路采集到激光脈沖，振蕩級(jí)電流不再增加。放大級(jí)能量探測(cè)為精探測(cè)，探測(cè)結(jié)果作為遙測(cè)量發(fā)送給上位機(jī)。放大器的工作電流為固定值，不做閉環(huán)控制，可以通過指令注入進(jìn)行在軌開環(huán)調(diào)整。

1.1 振蕩級(jí)

振蕩級(jí)采用與“高分七號(hào)”衛(wèi)星激光測(cè)高儀激光器相同的正交雙Porro諧振腔構(gòu)型[8]，采用該構(gòu)型可以提高振蕩級(jí)的抗失諧特性。激光晶體采用側(cè)面泵浦的“之”字形Nd:YAG板條，2個(gè)端面均為布儒斯特角切割。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808nm高反膜，該面同時(shí)作為晶體與熱沉的焊接面，以減小晶體的溫度梯度對(duì)光束品質(zhì)的影響。調(diào)Q晶體采用Cr4+:YAG晶體，與主動(dòng)調(diào)Q相比，不需要高壓、快速電光驅(qū)動(dòng)器或射頻調(diào)制器，降低激光器的復(fù)雜度；另外還可以通過激光縱模的模式競(jìng)爭(zhēng)獲得單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使激光脈沖的形狀光滑。被動(dòng)調(diào)Q獲得穩(wěn)定單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的條件是相鄰兩個(gè)縱模的脈沖建立時(shí)間差大于脈沖寬度。Nd:YAG晶體的增益加寬可以用洛倫茲曲線表示，縱模的建立時(shí)間與縱模的增益、腔內(nèi)損耗、被動(dòng)調(diào)Q晶體的初始透過率等相關(guān)[22]，通過調(diào)節(jié)波片，使PBS偏振耦合輸出率為60%[23]，選擇Cr4+:YAG晶體初始透過率為35%～40%時(shí)，獲得脈沖能量2mJ、脈沖寬度約4ns、光斑1.2mm、發(fā)散角2.4mrad的垂直線偏振激光。圖3分別為振蕩級(jí)輸出激光的近場(chǎng)光斑、遠(yuǎn)場(chǎng)光斑及累積72 000次脈沖余輝圖，脈沖保持單縱模輸出，無尖峰毛刺，為激光器的長(zhǎng)壽命高可靠工作提供保障。

圖3 振蕩級(jí)近場(chǎng)光斑（左）、遠(yuǎn)場(chǎng)光斑（中）與脈沖圖（右）

振蕩級(jí)泵浦激光二極管（Laser Diode，LD）在驅(qū)動(dòng)電流脈沖下工作，發(fā)射泵浦光。激光增益介質(zhì)吸收泵浦光產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，振蕩級(jí)中調(diào)Q晶體為可飽和吸收體，其吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減小直到飽和。在開始階段，腔內(nèi)自發(fā)熒光很弱，調(diào)Q晶體的吸收系數(shù)很大，光的透過率很低，腔處于低Q值（高損耗）狀態(tài)，不能形成激光振蕩。隨著泵浦光的增加，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)逐漸積累，腔內(nèi)熒光逐漸變強(qiáng)，當(dāng)光強(qiáng)能與可飽和吸收體的飽和光強(qiáng)相比擬時(shí)，調(diào)Q晶體的吸收系數(shù)變小，透過率變大，到一定數(shù)值時(shí)吸收達(dá)到飽和值，腔內(nèi)光通量會(huì)急劇增大，Q開關(guān)“飽和”，產(chǎn)生調(diào)Q激光脈沖。因?yàn)楸闷质敲}沖式的，腔內(nèi)光場(chǎng)迅速減弱，調(diào)Q晶體恢復(fù)吸收特性，起到將腔關(guān)閉的作用，然后再重復(fù)以上的過程，輸出與泵浦LD重復(fù)頻率相同的脈沖激光。

腔內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)由激光晶體對(duì)泵浦光的吸收決定。常規(guī)的半導(dǎo)體激光器的溫度漂移系數(shù)為0.3nm/℃，而Nd: YAG晶體的吸收峰寬度一般為2nm，因此隨著LD波長(zhǎng)的漂移，泵浦光的吸收率會(huì)顯著變化，從而導(dǎo)致腔內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)變化，導(dǎo)致不同溫度時(shí)閾值電流差異較大，限制了激光器的溫度適應(yīng)性。為了提升激光器工作溫度范圍，設(shè)計(jì)采用溫度不敏感的垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）作為泵浦源，其溫度漂移系數(shù)僅為0.09nm/℃，可大幅提升激光器工作溫度范圍。由于其功率密度較低，壽命可提高至1×1010次。采用VCSEL陣列進(jìn)行側(cè)面泵浦，為獲得足夠高的泵浦功率密度，采用微透鏡陣列對(duì)VCSEL進(jìn)行準(zhǔn)直后，再用柱透鏡將泵浦光整形為線形光束[24]。

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，可以將激光器的溫度控制在0–2℃到0+2℃以內(nèi)（0為激光器工作的中心溫度，約為20℃）。為了保持5臺(tái)激光器的工作溫度一致，對(duì)VCSEL進(jìn)行篩選，挑選出在20℃100A工作電流下，波長(zhǎng)在（807.0±0.2）nm內(nèi)的VCSEL陣列進(jìn)行裝機(jī)，將5臺(tái)激光器的中心工作溫度差異控制在1℃以內(nèi)。

圖4 激光輸出近場(chǎng)光斑（左）與遠(yuǎn)場(chǎng)光斑（右）

1.2 放大級(jí)

放大級(jí)采用偏振雙程板條放大設(shè)計(jì)，泵浦采用8組LD陣列，分兩側(cè)排布并置于“之”字 形的全內(nèi)反射點(diǎn)，以提高提取效率。每個(gè)陣列 5個(gè)巴條，單個(gè)巴條的最高功率為150W，降額至約90W使用。激光晶體為截面6mm×6mm的“之”字形Nd:YAG板條，采用2個(gè)全內(nèi)反射面為泵浦面，非泵浦面作為冷卻面與熱沉焊接。主放大級(jí)冷卻為非“之”字形面，存在熱透鏡效應(yīng)。通過特殊設(shè)計(jì)，將Porro棱鏡45°放置，使第一次通過板條的激光光斑和經(jīng)過Porro鏡反射后第二次通過板條激光光斑的水平和豎直兩個(gè)方向扭轉(zhuǎn)，使放大級(jí)輸出光斑在兩個(gè)方向上的發(fā)散角一致，見圖4。最終經(jīng)過2倍擴(kuò)束鏡后輸出，光斑約4mm，發(fā)散角約0.4mrad，激光光束品質(zhì)兩個(gè)方向均小于1.5，見圖5。

圖5 激光輸出光束品質(zhì)

1.3 驅(qū)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

激光器驅(qū)動(dòng)控制模塊的主要功能是：將衛(wèi)星的輸入電源轉(zhuǎn)換為所需的二次電源、控制振蕩級(jí)及放大級(jí)泵浦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)，并與上位機(jī)（多波束激光雷達(dá)測(cè)距管理控制器）進(jìn)行通信。激光器驅(qū)動(dòng)控制模塊的框圖如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)控制模塊框圖

激光器的二次電源包括+30V、+5V、±12V和+100V。其中：+30V為激光器振蕩級(jí)LD的儲(chǔ)能電容充電電源，+100V電源為放大級(jí)LD的儲(chǔ)能電容充電電源，由可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）輸出電流控制信號(hào)，導(dǎo)通大功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，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120A，實(shí)際工作在約100A。+5V電源為主控板數(shù)字電路供電電源?！?2V電源給能量探測(cè)以及恒流驅(qū)動(dòng)電路供電。

硬件配套中，將波束1、波束2、波束3三臺(tái)激光器光學(xué)頭部的控制驅(qū)動(dòng)模塊集成在激光器控制器1單機(jī)中，將波束4、波束5兩臺(tái)激光器光學(xué)頭部的控制驅(qū)動(dòng)模塊集成在激光器控制器2單機(jī)中。功能組成框圖如圖7所示。

圖7 5臺(tái)激光器功能組成框圖

激光器控制器1與激光器控制器2，共用一個(gè)FPGA軟件配置項(xiàng)。安裝在激光控制器1與激光控制器2內(nèi)的FPGA主控板分別控制3臺(tái)激光器與2臺(tái)激光器，主要功能是：能夠準(zhǔn)確識(shí)別激光器控制器1與激光器控制器2；對(duì)每臺(tái)激光器進(jìn)行獨(dú)立控制；通過接收測(cè)距管理控制器同步信號(hào)，輸出滿足指標(biāo)要求的激光脈沖，配合測(cè)距管理控制器完成對(duì)激光器工作參數(shù)的設(shè)置與工作狀態(tài)的遙測(cè)。

2 激光器研制

多波束激光雷達(dá)激光器從2016年開始研制，先后經(jīng)歷電性件、鑒定件及正樣件階段。最終交付的正樣飛行件產(chǎn)品包括5臺(tái)激光器光學(xué)頭部和2臺(tái)激光器控制器。5臺(tái)激光器光學(xué)頭部的功能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)尺寸相同。交付的5臺(tái)激光器主要性能參數(shù)如表2所示。為了防止真空有機(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)部氣壓保持在120kPa，并采用壓力傳感器對(duì)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

表2 5臺(tái)激光器主要光學(xué)參數(shù)列表

交付的正樣飛行件產(chǎn)品如圖8、圖9所示。

圖8 正樣飛行件產(chǎn)品——激光器光學(xué)頭部

圖9 正樣飛行件產(chǎn)品——激光器控制器

3 激光器壽命試驗(yàn)

激光器的壽命要求為在軌8年，激光脈沖發(fā)射次數(shù)≥1×109次。為了驗(yàn)證激光器的技術(shù)路線及工程可靠性，采用與正樣激光器光學(xué)頭部批次相同的元器件及原材料，相同的工藝流程，搭建一臺(tái)激光器壽命件。將激光器在室溫常壓下進(jìn)行老化試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為單脈沖能量75mJ、重復(fù)頻率40Hz，試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光器輸出能量。試驗(yàn)開始的1×107個(gè)脈沖平均 能量為74.2mJ，累積脈沖1.0×109后，試驗(yàn)結(jié)束前的1×107個(gè)脈沖平均能量為74.5mJ，能量穩(wěn)定。激光器壽命試驗(yàn)曲線如圖10所示。多波束激光雷達(dá)激光器已于2022年8月4日發(fā)射，目前在軌工作正常，能量穩(wěn)定。

圖10 激光器壽命試驗(yàn)曲線

4 結(jié)束語

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星多波束激光雷達(dá)激光器采用被動(dòng)調(diào)Q振蕩級(jí)結(jié)合激光板條放大的MOPA路線，創(chuàng)新采用VCSEL低溫敏泵浦源，實(shí)現(xiàn)單脈沖能量75mJ、脈沖重復(fù)頻率40Hz、光束品質(zhì)因子小于1.5的穩(wěn)定激光輸出，并進(jìn)行了壽命考核試驗(yàn)，證明該激光器設(shè)計(jì)合理，可作為高重頻對(duì)地遙感類激光光源的設(shè)計(jì)參考。激光器在軌工作狀態(tài)正常，為我國“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供重要支持。

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Design of Laser Transmitter for Terrestrial Ecosystem Carbon Inventory Satellite’s Multi-beam LiDAR

ZHANG Xin MENG Junqing LIU Jingqi WU Yaofang SHI Junjie LAI Ning'an XIA HaoweiSONG Tieqiang LIU Dan YANG Cheng WANG Mingjian HOU Xia CHEN Weibiao

（Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China）

The terrestrial ecosystem carbon inventory satellite’s multi-beam LiDAR is mainly used for forest carbon sinks monitoring. The multi-beam LiDAR enables the satellite to get high-precision plant height by calculating the difference between the time when the laser beams scan the crown of the tree and the time when the laser beams reach the ground. The transmitter lasers play a crucial role in multi-beam LiDAR. High-energy nanosecond pulsed lasers with high beam quality and high pulse repetition rate is required for LiDAR transmitter. The laser adopts the technical route of main oscillation power amplification (MOPA), and the oscillator is an orthogonal double Porro passive Q-swtiched resonant cavity configuration. A pulse energy of ～2mJ and a pulse width of ～4ns at 40Hz repeating rate are achieved in laser oscillator. The amplifier stage uses slab amplification technology to obtain a laser output with a single pulse energy of 75mJ and a beam factor2of less than 1.5. These parameters meet the requirements of the LiDAR’s transmitter, which proves that the laser design is reasonable, and can be used as a design reference for high pulse repetition frequency laser for remote sensing LiDAR.

passive Q-switched laser; slab amplifier; spaceborne all solid state laser; multi-beam LiDAR; terrestrial ecosystem carbon inventory satellite; space remote sensing

TN248.1

A

1009-8518(2022)06-0059-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.06.006

2022-10-19

國家重點(diǎn)工程研制項(xiàng)目及預(yù)研項(xiàng)目；中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目（2021243）

張?chǎng)? 孟俊清, 劉經(jīng)啟, 等. 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星多波束激光雷達(dá)激光器設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(6): 59-67.

ZHANG Xin, MENG Junqing, LIU Jingqi, et al. Design of Laser Transmitter for Terrestrial Ecosystem Carbon Inventory Satellite’s Multi-beam LiDAR[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(6): 59-67. (in Chinese)

張?chǎng)?，男?986年生。2014年獲中國科學(xué)院大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)榭臻g激光器技術(shù)。E-mail：zhangxin@siom.ac.cn。

（編輯：龐冰）