星载激光测高仪固体激光器技术研究与发展

本文作者程勇*，刘旭，谭朝勇，王赛，韦尚方（**工程大学军械士官学校，湖北武汉 430075）

摘要：

空间固体激光器是星载激光测高系统的重要载荷，也是先进激光器的典型代表。星载激光测高的应用需求和星载应用环境决定了空间激光器的技术特点和规律，使得空间固体激光器成为了先进性、可靠性、成熟性和小型轻量化的技术与工艺统一。分析了星载激光测高应用的空间固体激光器发展现状，介绍了单光子阵列推扫式激光雷达用空间固体激光器的技术突破，并对卫星激光测高固体激光器技术发展进行了展望。

星载激光测高仪固体激光器

发展现状

激光二极管泵浦的全固态激光器是空间应用固体激光器的发展的首选光源，也是目前已获得空间应用的主流光源。星载激光测高的应用需求和星载应用环境决定了空间激光器的技术特点和规律，星载激光测高对空间固体激光器的特殊要求主要包括高可靠性、抗空间辐照特性、小型轻量化、高效率、长寿命、高光束质量、高峰值功率等。

星载激光测高应用的空间固体激光器主要有深空探测和对地观测两大应用领域。深空探测应用的空间固体激光器主要典型代表为月球星载激光探测（如美国Clementine探月激光测高仪和LRO月球探测卫星搭载的LOLA激光测高仪、日本SELENE探月卫星搭载的LALT激光测高仪、中国的嫦娥系列月球探测器搭载的激光高度计等）、火星激光高度计（美国MGS火星全球勘测器搭载的MOLA激光测高仪、Phoenix号火星探测器搭载的双波长激光测高仪、中国的“天问”火星探测器等）和水星探测激光测高仪（如美国MESSENGER水星探测器搭载的MLA激光测高仪）。对地观测应用的空间固体激光器典型代表主要包括全球第一个星载对地观测激光雷达系统LITE（采用了1064nm、532nm、355nm三波长激光探测大气气溶胶、云、海表的垂直分布）、ICESat卫星搭载的全球第一台星载对地观测激光测高仪GLAS（用于冰、云和陆地的高程信息）、CALIPSO星载激光雷达系统（搭载了两台1064nm、532nm双波长激光器，其中一台作为备份，用于对地云、气溶胶激光雷达以及红外导航卫星观测）。

这些空间固体激光器的发展经历了小能量低重频的单一振荡器体制（LiNbO3电光调Q、KD*P电光调Q或者Cr4+:YAG被动调Q）、中等能量低重频的主振荡器加上激光放大器体制、小能量高峰值功率高重频主振荡器加上激光放大器体制等几个重要的发展阶段。总体趋势是由低能量向高能量发展，由低重频向高重频发展，由线性探测向单光子探测发展，有单一光源向主、备份光源发展，由单一波长向1064nm、532nm双波长或者1064nm、532nm、355nm三波长发展，由单一Nd:YAG激光器向Nd:YAG固体和光纤复合激光器发展等。但是，空间应用固体激光器无论怎么变，其高可靠性、先进性、小型轻量化等的特征没有变。梳理星载激光测高空间固体激光器发展现状主要有以下几个方面。

1.1 高可靠性是星载激光测高仪固体激光器发展的重要方向

高可靠性是空间应用固体激光器的本质特征之一。空间应用激光器必须适应各种空间特殊的工作环境，需要运转在不同于实验室的应用环境中。因此，在设计上需要考虑的主要因素是空间应用激光器对冲击、振动和宽泛的温度变化保持不灵敏。在严峻的环境条件下，系统的可靠运转比最佳性能显得更为重要。

2003年，GLAS激光测高仪中的三台激光器都出现了发射后激光器输出能量/功率急剧下降情况，引起了各国对空间应用激光器的高可靠性设计高度关注。

为适应各种空间特殊的工作环境和星载平台的特殊要求，有效保证其可靠性是空间固体激光器设计的首要考虑。梳理几十年来星载激光测高仪空间固体激光器的实际使用经验和结构特点，对于空间固体激光器谐振腔的加固是保证其可靠性的主要手段。这类激光器基本形成了以棱镜腔为特定谐振腔的设计要求和结构构型，这种激光谐振腔最大的特点是具有较高的机械稳定性和热稳定性。

空间固体激光器的棱镜腔目前主要有波罗棱镜（又称为直角棱镜或者半波罗棱镜）腔、正交波罗棱镜腔和角锥棱镜折叠腔几种构型。我国“嫦娥-1”激光高度计搭载的激光器和日本“月亮女神”SELENE探测卫星激光高度计搭载的激光器均采用的波罗棱镜腔（由于谐振腔中仅有一支波罗棱镜，也称半波罗棱镜），这种棱镜腔构型虽然仅有一个直角棱镜，能够有效保证一维方向上的稳定性，但是结构简洁可靠，在低重复频率条件下较为适用。

图1 日本“月亮女神”SELENE探测卫星激光高度计搭载的激光器谐振腔构型

为有效保证两维方向上的稳定性，空间应用固体激光器多采用正交波罗棱镜腔。如美国LRO月球探测卫星搭载的LOLA激光测高仪和MGS火星勘测器搭载的MOLA激光测高仪搭载的空间固体激光器均采用正交波罗棱镜腔，这种腔型一般利用高低方向和左右方向的波罗棱镜来代替谐振腔中的平面全反射镜，提高激光谐振腔的稳定性并通过腔内激光偏振态控制，实现激光偏振耦合输出。

图2 美国MOLA激光测高仪搭载的空间固体激光器正交波罗棱镜腔构型

棱镜腔技术在有效保证激光谐振腔高可靠性的同时，也经常被用于谐振腔的折叠，从而缩短激光器的总长度，有效利用激光器结构空间，实现激光器的小型化。例如美国Clementine探月激光测高仪、NEAR近地小行星探测器搭载的NLR激光测距仪等空间固体激光器均采用了角锥棱镜腔和正交波罗棱镜腔相结合的组合棱镜式谐振腔构型，既保证了谐振腔高可靠性，又实现了激光器整体结构的小型化。

图3 美国NEAR近地小行星探测器搭载的NLR激光测距仪空间固体激光器采用了角锥棱镜腔和正交波罗棱镜腔向结合的组合棱镜式谐振腔构型

考虑发射成本和效能，星载激光测高仪对卫星有效载荷的体积重量提出了较为苛刻要求。空间应用激光器通常采用棱镜式折叠腔和各组成部分紧凑型密接布阵方式，以及高稳定性和轻量化的光机结构设计来实现激光器的小型轻量化。例如2004年，美国水星激光高度计搭载的空间应用激光器，在结构空间仅为141×93×30mm3的尺寸内，实现了所有功能组件的密接布阵设计，充分利用了每一寸结构空间，成为小型轻量化设计的典型代表。

图4 美国水星激光高度计搭载的空间应用激光器结构

2006年美国NASA和法国太空署CNES联合建造的CALIPSO对地观测系统采用了双波长偏振敏感激光雷达，用于获得全球气溶胶和云高分辨率的垂直剖面。CALIPSO采用了1064nm和532nm双波长的Nd:YAG全固态激光器，该台激光器被称之为“低风险激光器”Risk Reduction Laser（RRL），这台激光器1064nm能量110mJ，532nm激光能量100~125mJ，重复频率20Hz，其激光谐振腔同样采用了角锥棱镜腔和波罗棱镜腔向结合的组合棱镜式谐振腔构型，保证了谐振腔高可靠性，实现了“低风险”。

图5 美国CALIPSO对地观测系统采用了折叠棱镜腔和波罗棱镜腔向结合的组合棱镜式谐振腔构型

1.2 基于单光子探测体制的高重频窄脉宽微脉冲多光束激光器是空间固体激光器的一个发展方向

随着单光子探测技术和线阵探测技术的发展，能够有效增加测绘幅宽，提高测绘效率的多光束星载激光测高系统已经成为星载激光雷达的又一重要发展方向。多光束线阵“推扫式”激光探测和测绘技术避免了传统光机扫描式测量方案，可以探测更宽的幅宽，缩短测绘时间，有效提高测绘效率，并且提升星载测绘的数据率和分辨率。这种基于单光子探测体制的星载测高系统通常需要kHz以上的高重复频率、50pm以下的激光光谱宽度，同时为了能够适应星载有效载荷的应用，激光器的平均功率通常不是很大，因此在高重频条件下激光的单脉冲能量通常在几十μJ到几mJ，为了提升脉冲峰值功率，激光脉冲宽度通常在百ps到几ns量级，这种高重频窄脉宽窄线宽微脉冲多光束的新型固体激光器将成为未来星载单光子体制测高应用主流技术和激光器。

例如，美国ICESat-2、LIST计划等都是采用基于单光子探测的高重频窄脉宽微脉冲多光束激光器技术，两者设计指标均为1064nm、10kHz、1ns、mJ级输出。NASA目前正在研制、预计于2025按发射的高精度地貌观测激光雷达（LIST计划），将同时搭载多台激光器，并且每台激光器输出光束被平均分成多光束（目前已通过衍射光学元件分成16路光束），其单路激光束脉冲能量50μJ，脉冲宽度1ns，重复频率10kHz。LIST计划正在研制的一个激光器方案为1330nm主振荡加上功率放大器的方案，利用Yb:YAG微片激光器作为种子源，Cr4+:YAG作为被动调Q器件，LD泵浦波长为940nm，放大级结构采用平面波导型Yb:YAG增益介质，16束的多光束激光分束采用衍射光学元件分束技术。

图6 美国LIST计划正在研制的高重频微脉冲窄脉宽窄线宽多光束空间固体激光器结构方案

1.3 LD/光纤/固体相融合的技术体制是空间固体激光器的一个发展方向

为有效发挥LD、光纤和Nd:YAG固体激光器等单元技术各自的优势性能，弥补单一固体激光器泵浦和散热结构、吸收和增益性能的限制和不足，基于光纤耦合端面泵浦的LD/光纤/固体向融合的新型空间激光器也逐步成为研究方向之一。这种融合的激光器方案通常采用尾纤耦合输出的LDA作为泵浦源，结合端面泵浦结构，以实现对称泵浦方式和较长泵浦焦深长度，并且使泵浦光在激光晶体中的光斑大小和激光器在该处的基模大小接近，实现较好的模式匹配，从而达到较高的光束质量和泵浦及增益效率。

欧洲航天局开展的水星激光测高仪（BELA）计划采用了光纤耦合LD端面泵浦的主振荡器加上双程功率放大器的技术方案，激光晶体采用Nd:YAG圆棒，Cr4+:YAG被动调Q，主振荡器获得了2.4mJ，2.8ns和近衍射极限（M2=1.2）输出，一级放大输出25mJ，二级放大输出55mJ，放大器转换效率达到25%。

图7 欧洲航天局为水星激光测高仪（BELA）研制的光纤耦合LD端面泵浦的主振荡器双程功率放大器技术方案

ICESat-Ⅱ卫星搭载的激光测高仪也采用了高重复频率光子计数的测距方式。ICESat-Ⅱ激光器同样采用了LD光纤耦合端面泵浦的固体激光器技术方案，增益介质采用Nd:YVO4晶体，振荡级采用RTP主动调Q方式实现10kHz高重复频率运转，光纤耦合的880nmLD作为泵浦源，以同带泵浦方式避免了非辐射跃迁，降低了量子亏损，提高了激光器的效率。两级放大后，1064nm基频光达到了1.8mJ，然后进行LBO晶体倍频，获得了1.2mJ的532nm激光输出，倍频效率达到了67%，激光器脉冲宽度小于1.3ns，整机插头效率达到了5%，是一台性能优异的新型空间固体激光器。

图8 美国ICESat-Ⅱ ATLAS激光测高仪搭载的光纤耦合LD端面泵浦的主振荡器-预放-主放-倍频技术方案

除了上述发展现状之外，星载激光测高应用需求的空间固体激光器还有高光束质量、高峰值功率、窄脉宽等输出性能要求，以满足星载远距离测距应用需求。另外，单光子探测体制的星载激光测高系统还对空间固体激光器有着高重频、窄线宽的特殊要求，这些性能要求决定着空间固体激光器的研究方案、技术途径和发展现状。

星载激光测高仪固体激光器

关键技术突破

随着线阵、面阵等多路阵列信号探测处理技术的发展成熟，单光子阵列推帚式探测体制的激光雷达技术成为近年来国内外研究的热点。该体制激光雷达可以获得大视场、高速率、高精度和高分辨率的目标信息，相对传统激光雷达具有很大的优势和潜能，但也对激光源提出了新的技术要求，包括具备高重复频率、高峰值功率、窄脉宽和多波束阵列输出等典型特征。

为满足该类型激光雷达的光源需求，本文作者团队在“核高基”专项课题资助下，使用全国产元器件，采用种子注入掠入射放大结构的MOPA激光器和大口径高分束阶二维衍射分束器（DOE），将近衍射极限的单光束分束成50×2交错排列的多光束阵列输出。图9为多光束激光器实物，右侧为传导冷却的MOPA激光头，左侧为一体装配的50倍光学发射天线及多光束分束器。

图9 高重频窄脉冲多光束输出激光器实物

MOPA激光器振荡级采用脉冲泵浦的Nd:YAG/Cr4+:YAG被动调Q激光器，获得线宽0.02nm（中心波长为1064.28nm）、脉冲宽度0.8ns、重复频率7kHz、近衍射极限光束质量的种子光，通过光束整形两次掠入射注入Nd:YVO4薄板条晶体放大，实现了单脉冲能量＞1mJ（平均功率为7.3W）的近衍射极限光束质量输出。该样机在25℃连续工作1h，测得中心波长稳定在1064.28nm、谱线宽度0.02nm且无明显ASE效应，输出能量（功率）稳定性达到98.4%，重复频率稳定在7kHz，重频抖动小于10Hz，脉冲宽度稳定在0.8ns。图10~图13为激光器指标测试数据。

图10 7kHz重频连续工作输出光谱

图11 7kHz重频连续工作1h输出平均功率

(a) 重复频率

(b)脉冲宽度

图12 连续工作重复频率和脉冲宽度

图13 分束输出光斑远场排列

激光器以7W平均功率输出时，输出光经DOE器件分束获得了50×2交错排列的远场光斑，如图13所示。分束后的子光束的能量不均匀性＜11%、子光束发散角约为40μrad、子光束之间夹角不均匀性小于2%，衍射分束输出效率达85%。

该激光器在光谱稳定性、重复频率和脉冲稳定性、子光束能量均匀性、子光束夹角均匀性等方面均达到了较高水准，可满足单光子推帚式探测体制的激光雷达对光源的技术要求。

星载激光测高仪固体激光器

技术展望

固体激光器是支撑卫星激光测高系统实现多功能与高性能在轨运行的核心组件和关键技术。现有机制的激光器，几乎穷尽了各种激光器技术路线与方案，但迄今尚未根本解决激光器的效率低、功能单一应用受限、远距离亮度不够和可靠性差寿命短等问题，还需要进一步突破超高亮度、超短脉冲和光谱可控等固体激光器前沿关键技术。未来可通过“基于AI人工智能多参数调控、多技术融合、多光束组束和多激光器阵列结构”等设计思想有望解决上述难题与挑战，这也是未来空间固体激光器发展的基本思路与方向。随着未来卫星激光测高应用需求的不断拓展与激光器技术的不断进步，空间固体激光器将呈现如下的发展态势。

（1）突破新型空间激光器机理与技术。重点发明低量子亏损、高激光增益、不通过非线性直接产生敏感光子波长、光光转换效率大于70%（电光转换效率大于10%）的新型固体激光器，不断提升激光器的插头效率与光谱兼容性，适应空间环境固体激光器具有高效率、多波长、高平均功率与高峰值功率输出的能力；获取更高的频域特性（超短波、超长波、可调谐、单频、宽光谱等）、时域特性（超快、超强峰值等）和能量域特性（高亮度、高功率与高能量等）。

（2）突破空间固体激光器多功能一体化设计技术。由于激光测高对不同目标测距、定位、测绘等功能需要有不同性能指标的独立激光器，未来卫星激光测高系统发展方向需要兼具激光雷达、激光通讯、激光对抗及其武器等多功能，因此对空间激光器指标多样性与可控性提出来了特殊的要求。随着半导体技术、非线性材料、晶体波导激光器、量子级联激光器和光纤激光技术进步极大推动了空间激光器在波段拓展可调谐及线宽、脉宽、能量、重复频率等技术指标上不断提高性能，满足激光测高雷达武器综合系统具备“侦察-通讯-打击”一体化的功能。

（3）突破空间固体激光器轮时值守长寿命技术。随着卫星在轨运行寿命的延长、激光测高系统三维影像测绘的日益精细化以及空间固体激光器结构复杂度的增加，空间固体激光器的可靠性与寿命问题面临新的挑战。由于空间激光器具有不可修复性与工作不间断性特点，因此在激光器结构设计中，必须考虑采用并行备份或轮时值守等设计思路，相对延长空间固体激光器的寿命。

（4）突破空间固体激光器互注入自组织自锁相技术。激光相干合成技术及其应用始终是激光技术应用领域永恒的追求，被动互注入锁相具有结构简单、合束效率高和易于定标放大，且具有自组织、自约束稳定性好等诸多优点。多光束激光在多通道相同或不同增益介质中相互注入振荡强迫形成共振器，尤其是在光纤激光器、固体激光器与晶体波导激光器融合方案中，可获得自组织自锁相高能相干光输出或多波长混叠高能非相干光输出，极具空间前沿应用的潜力与趋势。

总结

星载激光测高可实时生成高精度复杂地形与地貌的三维数字影像地图，正在为人类探测地球、探索与利用太空资源发挥着愈来愈重要的作用。固体激光器作为卫星激光测高的重要载荷与核心组件，既要兼顾技术的成熟性与先进性，又要突出适应空间环境高可靠性、长寿命免维护以及小型轻量化等特殊要求，其经历了由低重频、大能量、点源探测向高重频、窄脉宽、窄线宽、多光束、多光谱、单光子阵列探测的发展历程，其相关技术的发展动向与展望对于推动卫星型号及后续应用具有重要的基础性作用。