用于空間探測的結(jié)構(gòu)緊湊高功率納秒激光脈沖光源

董 彬,劉 磊,劉 洋,唐曉軍

(固體激光技術(shù)重點實驗室,北京 100015)

1 引 言

高脈沖能量、高峰值功率的納秒脈沖激光器在激光加工、光電對抗、激光通信、激光測距等多個領(lǐng)域有重要應(yīng)用[1-2]。此外,由于近些年各國不斷進行的航天飛行任務(wù),地球附近軌道產(chǎn)生了大量的空間碎片,包括廢棄的衛(wèi)星,運載火箭殘體以及碰撞解體的航天器碎片等。據(jù)估計在近地空間內(nèi),有超過7000 t的空間碎片,這些碎片在近地軌道中以10 km/s的速度飛行,這意味著即使是沙粒一樣大的碎片都有可能對人造衛(wèi)星或航天器造成災(zāi)難性的損壞,這些空間碎片還會危及宇航員的人身安全、破壞軌道資源、影響天文觀測和研究。為降低空間碎片所帶來的危害,并安全、持續(xù)地開發(fā)利用空間資源,必須對空間碎片進行檢測與跟蹤,增強對空間碎片的分析預(yù)測能力。到目前為止,美國已經(jīng)建立了最為完善的空間碎片檢測系統(tǒng),而中國也明確提出要建立以數(shù)據(jù)庫為載體的空間碎片探測預(yù)警工程。目前空間碎片探測主要依賴地基探測,而其中基于激光測距技術(shù)的激光雷達(dá)探測系統(tǒng)在空間探測領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢[3]。

激光探測采用主動探測方式,具有方向性好、抗干擾能力強、探測距離遠(yuǎn)、空間分辨率高等優(yōu)點,并可以同時完成對空間碎片的測距與測速的任務(wù),有利于對空間碎片運動軌跡的預(yù)測。而高功率激光器作為激光探測系統(tǒng)中關(guān)鍵部件,激光器的性能優(yōu)劣直接影響著整個系統(tǒng)的性能。相比于帶有激光反射器的空間飛行器,空間碎片對探測激光進行漫反射,只有微弱激光回波信號可以被探測到,因此具有高功率、高能量、窄發(fā)散角的激光光源是提高探測精度的關(guān)鍵。同時,根據(jù)近些年來國內(nèi)外空間碎片探測技術(shù)研究經(jīng)驗,提高激光重復(fù)頻率可以有效提高激光功率,但光子探測器的暗噪聲也隨之增加。目前國內(nèi)外用于空間碎片探測的激光器重復(fù)頻率多采取于百赫茲的重復(fù)頻率。

2004年,日本研究人員Yoshida等人[4]采用閃光燈泵浦棒狀Nd∶YAG晶體,在重復(fù)頻率為50 Hz的條件下得到單脈沖能量為7.4 J的激光輸出；2008年M.Siebold等人[5]采用Yb∶YAG板條激光放大器多級放大結(jié)構(gòu)對脈沖寬度為6.4 ns激光進行放大,種子光經(jīng)過多通功率放大器后得到200 mJ脈沖激光,隨后通過像傳遞介穩(wěn)腔四通放大結(jié)構(gòu)得到重復(fù)頻率為10 Hz條件下的15 W激光輸出。2014年,Shigeki等人[6]利用Yb∶YAG晶體材料的TRAM結(jié)構(gòu)板條放大設(shè)計,得到重復(fù)頻率為10 Hz,脈沖寬度為10 ns,單脈沖能量為500 mJ的激光輸出。同年,Yang等[7]采用板條結(jié)構(gòu)的Nd∶YAG晶體得到重復(fù)頻率為20 Hz,脈沖寬度為13 ns,單脈沖能量為341 mJ的結(jié)果。

本文介紹了一種結(jié)構(gòu)緊湊的高重復(fù)頻率、高功率納秒激光器,系統(tǒng)由主動調(diào)Q種子源提供重復(fù)頻率為400 Hz,脈沖寬度為8.7 ns的線偏振低能量脈沖激光,通過采用主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu)對種子光進行功率放大,在保持種子光高光束質(zhì)量的同時,實現(xiàn)高功率脈沖激光輸出。激光能量放大部分采用傳導(dǎo)冷卻端面泵浦板條激光放大結(jié)構(gòu),通過采用角度復(fù)用與激光偏振復(fù)用結(jié)合的方式實現(xiàn)預(yù)放大級單增益模塊對種子光的四程放大,種子光在主放大模塊實現(xiàn)雙程放大。相較于多級級聯(lián)放大方式,采用板條激光器角度復(fù)用與偏振復(fù)用設(shè)計,在提高了系統(tǒng)能量提取效率的同時使激光系統(tǒng)更為緊湊。為充分提取板條激光器內(nèi)儲存能量,光路中加入光束整形系統(tǒng),使光斑匹配板條介質(zhì)端面尺寸。同時加入4f成像系統(tǒng),減小光束發(fā)散對實驗結(jié)果的影響。最終實現(xiàn)重復(fù)頻率為400 Hz,注入種子光脈沖能量為4 mJ的條件下獲得500 mJ以上的脈沖能量輸出,輸出激光脈沖寬度為6.55 ns。

2 實驗裝置

激光放大系統(tǒng)主要包括納秒激光振蕩器、小尺寸功率預(yù)放大模塊以及主放大模塊等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實驗裝置

2.1 激光種子源

納秒激光振蕩器中采用半導(dǎo)體激光器抽運的Nd∶YVO4晶體,諧振腔內(nèi)加入電光調(diào)制器實現(xiàn)主動調(diào)Q,調(diào)制器調(diào)制頻率設(shè)置為400 Hz,激光振蕩器輸出線偏振脈沖激光,輸出脈沖寬度為8.7 ns,單脈沖能量為4 mJ。為防止回光功率過高對Nd∶YVO4晶體與調(diào)Q晶體造成損傷,種子源輸出激光經(jīng)過由半波片、偏振片以及法拉第電磁旋光器組成的光隔離器。

2.2 能量預(yù)放大模塊

由于種子源輸出激光能量較低,經(jīng)過主放大模塊時能量提取效率不高,為提高系統(tǒng)能量利用率,在主放大級與種子源之間加入預(yù)放大模塊,本文采用基于CCEPS結(jié)構(gòu)的多程放大方案,相比于多增益介質(zhì)級聯(lián)放大的方案,多程放大具有整體能量利用率高,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。

為實現(xiàn)種子光尺寸與板條端面的尺寸匹配,通過光束整形裝置將圓形光斑拉長至11 mm左右。預(yù)放大模塊增益介質(zhì)選用Nd∶YAG板條晶體,端面鍍有808 nm全反膜與1064 nm增透膜,側(cè)面鍍有1064 nm全反膜。采用LD激光器端面泵浦,板條側(cè)面采用微通道板進行冷卻。種子光從板條端面入射,在板條晶體內(nèi)部以Zig-Zag光路傳輸,激光在板條側(cè)面發(fā)生全內(nèi)反射。由于板條晶體采取大面冷卻的方式,內(nèi)部溫度梯度只存在于厚度方向,激光以“之”字型傳輸時,激光波前同時渡越相同的溫度梯度,降低了板條內(nèi)的熱透鏡效應(yīng)與熱致雙折射的影響。

實驗中水平偏振的種子光經(jīng)過偏振片后以26°角入射板條,經(jīng)過增益介質(zhì)后從另一端輸出,通過反射鏡M3、M4、M5后以22°入射角重新入射增益介質(zhì)進行二次放大,水平偏振的種子光經(jīng)過反射鏡M6與四分之一波片后成為橢圓偏振光,經(jīng)過全反射鏡后第二次經(jīng)過四分之一波片后變成垂直偏振光。種子光按照原光路經(jīng)過增益介質(zhì)實現(xiàn)第三、四程放大后到達(dá)偏振片實現(xiàn)全反射輸出。

種子光在板條內(nèi)部完整的Zig-Zag光路如圖2所示。圖中L為板條增益介質(zhì)的長度；t為板條厚度；α為板條晶體端面切角；θ為激光入射角；β為激光在增益介質(zhì)側(cè)面的反射角；γ為激光與板條側(cè)面夾角；L1為入射激光光束尺寸；La和Lb為激光光束在板條內(nèi)反射一個周期的長度以及交疊部分的長度；n2為增益介質(zhì)晶體折射率；n3為板條側(cè)面所鍍?nèi)茨ふ凵渎省?/p>

圖2 板條內(nèi)部Zig-Zag光路

通過幾何光學(xué)的計算方法對種子光光路與板條尺寸進行設(shè)計,種子光傳輸過程中需要滿足幾個條件:光斑尺寸不大于板條端面；種子光在板條內(nèi)以大于全反射臨界角的角度反射傳輸；種子光在板條內(nèi)部以整數(shù)個周期傳輸。因此需要滿足:

(1)

(2)

L=N·Lb=2N·t·tanβ

(3)

通過計算,設(shè)計板條晶體尺寸為1.7mm×11mm×67mm,板條端面切角為45°,種子光可以以22°與26°兩個角度在板條內(nèi)完整傳輸。通過TracePro軟件對光路設(shè)計進行模擬仿真,如圖3所示。

圖3 TracePro模擬圖

種子光以兩個角度入射板條時,激光傳輸未出現(xiàn)光束分裂現(xiàn)象,同時從仿真過程中可以看到兩個角度種子光填充位置不同提高了能量提取效率。

預(yù)放大模塊采用雙端端面泵浦方式,采用端面泵浦方式增加了抽運光程提高能量利用率。泵浦模塊輸出功率轉(zhuǎn)化為增益介質(zhì)儲存能量的效率由泵浦耦合效率、晶體吸收效率、斯托克斯效率、量子效率、激光交疊效率、板條ASE效率共同決定,本實驗中能量轉(zhuǎn)化效率約為40 %。泵浦LD在激光重復(fù)頻率為400 Hz,脈沖寬度為200 μs時,輸入輸出特性曲線如圖4所示。

圖4 預(yù)放級LD輸出特性曲線

2.3 主功率放大模塊

主放大模塊與預(yù)放大模塊結(jié)構(gòu)相似,采用CCEPS結(jié)構(gòu)通過多角度放大實現(xiàn)對種子光的雙程放大。主放大級采用大尺寸Nd∶YAG晶體,晶體尺寸為1.7mm×30mm×125mm,主放大級與預(yù)防級間加入光束擴束裝置,將預(yù)放大級輸出的小尺寸矩形光斑放大到與主放大級板條端面尺寸相近的大小。光束擴束裝置由兩組水平方向與垂直方向的柱透鏡組合組成,分別在x方向與y方向?qū)獍哌M行擴束。

主放大級的泵浦模塊使用bar條數(shù)目分別為30和15的兩種LD堆棧組成,每一端分別使用兩種LD各兩個,單端bar條數(shù)目達(dá)到90條。設(shè)置泵浦電流為100 A時,重復(fù)頻率為400 Hz,脈沖寬度為200 μs時,單bar輸出功率約為8 W,總輸出功率約為1400 W。

3 實驗內(nèi)容與結(jié)果分析

使用示波器與光電探測器測量種子激光脈沖寬度與重復(fù)頻率以及放大后的激光脈沖寬度,如圖5所示。

種子光脈沖寬度為8.72 ns,經(jīng)過放大后激光脈沖寬度為6.55 ns。激光種子源增益介質(zhì)為Nd∶YVO4,增益譜寬度比Nd∶YAG寬,種子光在經(jīng)過放大模塊時由于增益窄化造成激光脈沖寬度發(fā)生展寬。但由于脈沖激光進過放大模塊時,當(dāng)脈沖能量接近晶體飽和能量時,脈沖前沿先進行能量提取,而脈沖后沿提取的能量較少,激光脈沖經(jīng)過增益介質(zhì)后脈沖寬度被壓縮。兩種效應(yīng)同時影響輸出激光脈沖寬度,因此放大后的激光脈沖寬度略有減小。

圖5 激光特性

種子光重復(fù)頻率為400 Hz,輸出平均功率為1.6 W。種子光經(jīng)過光隔離器與偏振片后損失部分能量,第一次通過板條時由于擴束后的光斑略大于板條端面,在端面處產(chǎn)生較大的切光損耗,而后幾程通過板條時光斑由于被切割為大小與板條端面相同的矩形光斑,因此有較高的透過率。同樣主放大模塊中第二程光路透過率較高。各部分激光透射率如表1所示。

表1 各部分激光透射率

激光振蕩器的調(diào)Q晶體與泵浦模塊電源使用同一信號發(fā)生器來觸發(fā),保證種子光與泵浦光保持同一重頻。為使種子光充分提取Nd∶YAG晶體中儲存的泵浦能量,通過調(diào)節(jié)泵浦光與種子光之間的延時來使種子光到達(dá)Nd∶YAG晶體時,晶體已經(jīng)接受過泵浦光照射完成儲能。通過實驗研究種子光與泵浦光之間延遲時間的不同造成的輸出激光功率的變化,得到不同延時條件下激光放大輸出功率的變化趨勢如圖6所示。從圖中看出當(dāng)種子光與泵浦光之間的延遲時間為55 μs時,種子光提取的能量最高。

圖6 激光輸出功率與延遲時間關(guān)系

種子光經(jīng)過預(yù)放大級后雙程放大輸出與四程放大輸出的功率如圖,經(jīng)過主放大模塊后輸出功率與泵浦電流的關(guān)系如圖7所示。

(a)第一放大級激光輸出曲線

(b)第二放大級激光輸出曲線

當(dāng)預(yù)放大級泵浦電流為130 A時種子光經(jīng)過四程放大后輸出功率為49.5 W。經(jīng)過主放大模塊時,當(dāng)泵浦電流為90 A時,輸出功率達(dá)到201.7 W,單脈沖能量達(dá)到500 mJ以上。由各放大級中儲存的能量可以計算出種子光經(jīng)過放大級時的能量提取效率,如圖8所示。

圖8 各級放大器激光脈沖輸出能量、儲能及能量提取效率

4 總 結(jié)

通過采用Nd∶YAG板條增益介質(zhì)的傳導(dǎo)冷卻端面泵浦板條激光放大結(jié)構(gòu),對低功率高重頻的納秒激光種子源進行功率放大,種子光經(jīng)過預(yù)放大模塊、主放大模塊進行能量放大。放大級采用角度復(fù)用以及偏振復(fù)用技術(shù)增加單增益介質(zhì)放大光程數(shù),提高了能量利用率,簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。最終實現(xiàn)重復(fù)頻率為400 Hz,脈沖寬度為8 ns,單脈沖能量達(dá)到500 mJ的線偏振脈沖激光輸出。