用于空间探测的结构紧凑高功率纳秒激光脉冲光源

董 彬,刘 磊,刘 洋,唐晓军

(固体激光技术重点实验室,北京 100015)

1 引 言

高脉冲能量、高峰值功率的纳秒脉冲激光器在激光加工、光电对抗、激光通信、激光测距等多个领域有重要应用[1-2]。此外,由于近些年各国不断进行的航天飞行任务,地球附近轨道产生了大量的空间碎片,包括废弃的卫星,运载火箭残体以及碰撞解体的航天器碎片等。据估计在近地空间内,有超过7000 t的空间碎片,这些碎片在近地轨道中以10 km/s的速度飞行,这意味着即使是沙粒一样大的碎片都有可能对人造卫星或航天器造成灾难性的损坏,这些空间碎片还会危及宇航员的人身安全、破坏轨道资源、影响天文观测和研究。为降低空间碎片所带来的危害,并安全、持续地开发利用空间资源,必须对空间碎片进行检测与跟踪,增强对空间碎片的分析预测能力。到目前为止,美国已经建立了最为完善的空间碎片检测系统,而中国也明确提出要建立以数据库为载体的空间碎片探测预警工程。目前空间碎片探测主要依赖地基探测,而其中基于激光测距技术的激光雷达探测系统在空间探测领域具有明显的优势[3]。

激光探测采用主动探测方式,具有方向性好、抗干扰能力强、探测距离远、空间分辨率高等优点,并可以同时完成对空间碎片的测距与测速的任务,有利于对空间碎片运动轨迹的预测。而高功率激光器作为激光探测系统中关键部件,激光器的性能优劣直接影响着整个系统的性能。相比于带有激光反射器的空间飞行器,空间碎片对探测激光进行漫反射,只有微弱激光回波信号可以被探测到,因此具有高功率、高能量、窄发散角的激光光源是提高探测精度的关键。同时,根据近些年来国内外空间碎片探测技术研究经验,提高激光重复频率可以有效提高激光功率,但光子探测器的暗噪声也随之增加。目前国内外用于空间碎片探测的激光器重复频率多采取于百赫兹的重复频率。

2004年,日本研究人员Yoshida等人[4]采用闪光灯泵浦棒状Nd∶YAG晶体,在重复频率为50 Hz的条件下得到单脉冲能量为7.4 J的激光输出；2008年M.Siebold等人[5]采用Yb∶YAG板条激光放大器多级放大结构对脉冲宽度为6.4 ns激光进行放大,种子光经过多通功率放大器后得到200 mJ脉冲激光,随后通过像传递介稳腔四通放大结构得到重复频率为10 Hz条件下的15 W激光输出。2014年,Shigeki等人[6]利用Yb∶YAG晶体材料的TRAM结构板条放大设计,得到重复频率为10 Hz,脉冲宽度为10 ns,单脉冲能量为500 mJ的激光输出。同年,Yang等[7]采用板条结构的Nd∶YAG晶体得到重复频率为20 Hz,脉冲宽度为13 ns,单脉冲能量为341 mJ的结果。

本文介绍了一种结构紧凑的高重复频率、高功率纳秒激光器,系统由主动调Q种子源提供重复频率为400 Hz,脉冲宽度为8.7 ns的线偏振低能量脉冲激光,通过采用主振荡功率放大(MOPA)结构对种子光进行功率放大,在保持种子光高光束质量的同时,实现高功率脉冲激光输出。激光能量放大部分采用传导冷却端面泵浦板条激光放大结构,通过采用角度复用与激光偏振复用结合的方式实现预放大级单增益模块对种子光的四程放大,种子光在主放大模块实现双程放大。相较于多级级联放大方式,采用板条激光器角度复用与偏振复用设计,在提高了系统能量提取效率的同时使激光系统更为紧凑。为充分提取板条激光器内储存能量,光路中加入光束整形系统,使光斑匹配板条介质端面尺寸。同时加入4f成像系统,减小光束发散对实验结果的影响。最终实现重复频率为400 Hz,注入种子光脉冲能量为4 mJ的条件下获得500 mJ以上的脉冲能量输出,输出激光脉冲宽度为6.55 ns。

2 实验装置

激光放大系统主要包括纳秒激光振荡器、小尺寸功率预放大模块以及主放大模块等。系统结构如图1所示。

图1 实验装置

2.1 激光种子源

纳秒激光振荡器中采用半导体激光器抽运的Nd∶YVO4晶体,谐振腔内加入电光调制器实现主动调Q,调制器调制频率设置为400 Hz,激光振荡器输出线偏振脉冲激光,输出脉冲宽度为8.7 ns,单脉冲能量为4 mJ。为防止回光功率过高对Nd∶YVO4晶体与调Q晶体造成损伤,种子源输出激光经过由半波片、偏振片以及法拉第电磁旋光器组成的光隔离器。

2.2 能量预放大模块

由于种子源输出激光能量较低,经过主放大模块时能量提取效率不高,为提高系统能量利用率,在主放大级与种子源之间加入预放大模块,本文采用基于CCEPS结构的多程放大方案,相比于多增益介质级联放大的方案,多程放大具有整体能量利用率高,系统结构紧凑等优点。

为实现种子光尺寸与板条端面的尺寸匹配,通过光束整形装置将圆形光斑拉长至11 mm左右。预放大模块增益介质选用Nd∶YAG板条晶体,端面镀有808 nm全反膜与1064 nm增透膜,侧面镀有1064 nm全反膜。采用LD激光器端面泵浦,板条侧面采用微通道板进行冷却。种子光从板条端面入射,在板条晶体内部以Zig-Zag光路传输,激光在板条侧面发生全内反射。由于板条晶体采取大面冷却的方式,内部温度梯度只存在于厚度方向,激光以“之”字型传输时,激光波前同时渡越相同的温度梯度,降低了板条内的热透镜效应与热致双折射的影响。

实验中水平偏振的种子光经过偏振片后以26°角入射板条,经过增益介质后从另一端输出,通过反射镜M3、M4、M5后以22°入射角重新入射增益介质进行二次放大,水平偏振的种子光经过反射镜M6与四分之一波片后成为椭圆偏振光,经过全反射镜后第二次经过四分之一波片后变成垂直偏振光。种子光按照原光路经过增益介质实现第三、四程放大后到达偏振片实现全反射输出。

种子光在板条内部完整的Zig-Zag光路如图2所示。图中L为板条增益介质的长度；t为板条厚度；α为板条晶体端面切角；θ为激光入射角；β为激光在增益介质侧面的反射角；γ为激光与板条侧面夹角；L1为入射激光光束尺寸；La和Lb为激光光束在板条内反射一个周期的长度以及交叠部分的长度；n2为增益介质晶体折射率；n3为板条侧面所镀全反膜折射率。

图2 板条内部Zig-Zag光路

通过几何光学的计算方法对种子光光路与板条尺寸进行设计,种子光传输过程中需要满足几个条件:光斑尺寸不大于板条端面；种子光在板条内以大于全反射临界角的角度反射传输；种子光在板条内部以整数个周期传输。因此需要满足:

(1)

(2)

L=N·Lb=2N·t·tanβ

(3)

通过计算,设计板条晶体尺寸为1.7mm×11mm×67mm,板条端面切角为45°,种子光可以以22°与26°两个角度在板条内完整传输。通过TracePro软件对光路设计进行模拟仿真,如图3所示。

图3 TracePro模拟图

种子光以两个角度入射板条时,激光传输未出现光束分裂现象,同时从仿真过程中可以看到两个角度种子光填充位置不同提高了能量提取效率。

预放大模块采用双端端面泵浦方式,采用端面泵浦方式增加了抽运光程提高能量利用率。泵浦模块输出功率转化为增益介质储存能量的效率由泵浦耦合效率、晶体吸收效率、斯托克斯效率、量子效率、激光交叠效率、板条ASE效率共同决定,本实验中能量转化效率约为40 %。泵浦LD在激光重复频率为400 Hz,脉冲宽度为200 μs时,输入输出特性曲线如图4所示。

图4 预放级LD输出特性曲线

2.3 主功率放大模块

主放大模块与预放大模块结构相似,采用CCEPS结构通过多角度放大实现对种子光的双程放大。主放大级采用大尺寸Nd∶YAG晶体,晶体尺寸为1.7mm×30mm×125mm,主放大级与预防级间加入光束扩束装置,将预放大级输出的小尺寸矩形光斑放大到与主放大级板条端面尺寸相近的大小。光束扩束装置由两组水平方向与垂直方向的柱透镜组合组成,分别在x方向与y方向对光斑进行扩束。

主放大级的泵浦模块使用bar条数目分别为30和15的两种LD堆栈组成,每一端分别使用两种LD各两个,单端bar条数目达到90条。设置泵浦电流为100 A时,重复频率为400 Hz,脉冲宽度为200 μs时,单bar输出功率约为8 W,总输出功率约为1400 W。

3 实验内容与结果分析

使用示波器与光电探测器测量种子激光脉冲宽度与重复频率以及放大后的激光脉冲宽度,如图5所示。

种子光脉冲宽度为8.72 ns,经过放大后激光脉冲宽度为6.55 ns。激光种子源增益介质为Nd∶YVO4,增益谱宽度比Nd∶YAG宽,种子光在经过放大模块时由于增益窄化造成激光脉冲宽度发生展宽。但由于脉冲激光进过放大模块时,当脉冲能量接近晶体饱和能量时,脉冲前沿先进行能量提取,而脉冲后沿提取的能量较少,激光脉冲经过增益介质后脉冲宽度被压缩。两种效应同时影响输出激光脉冲宽度,因此放大后的激光脉冲宽度略有减小。

图5 激光特性

种子光重复频率为400 Hz,输出平均功率为1.6 W。种子光经过光隔离器与偏振片后损失部分能量,第一次通过板条时由于扩束后的光斑略大于板条端面,在端面处产生较大的切光损耗,而后几程通过板条时光斑由于被切割为大小与板条端面相同的矩形光斑,因此有较高的透过率。同样主放大模块中第二程光路透过率较高。各部分激光透射率如表1所示。

表1 各部分激光透射率

激光振荡器的调Q晶体与泵浦模块电源使用同一信号发生器来触发,保证种子光与泵浦光保持同一重频。为使种子光充分提取Nd∶YAG晶体中储存的泵浦能量,通过调节泵浦光与种子光之间的延时来使种子光到达Nd∶YAG晶体时,晶体已经接受过泵浦光照射完成储能。通过实验研究种子光与泵浦光之间延迟时间的不同造成的输出激光功率的变化,得到不同延时条件下激光放大输出功率的变化趋势如图6所示。从图中看出当种子光与泵浦光之间的延迟时间为55 μs时,种子光提取的能量最高。

图6 激光输出功率与延迟时间关系

种子光经过预放大级后双程放大输出与四程放大输出的功率如图,经过主放大模块后输出功率与泵浦电流的关系如图7所示。

(a)第一放大级激光输出曲线

(b)第二放大级激光输出曲线

当预放大级泵浦电流为130 A时种子光经过四程放大后输出功率为49.5 W。经过主放大模块时,当泵浦电流为90 A时,输出功率达到201.7 W,单脉冲能量达到500 mJ以上。由各放大级中储存的能量可以计算出种子光经过放大级时的能量提取效率,如图8所示。

图8 各级放大器激光脉冲输出能量、储能及能量提取效率

4 总 结

通过采用Nd∶YAG板条增益介质的传导冷却端面泵浦板条激光放大结构,对低功率高重频的纳秒激光种子源进行功率放大,种子光经过预放大模块、主放大模块进行能量放大。放大级采用角度复用以及偏振复用技术增加单增益介质放大光程数,提高了能量利用率,简化系统结构。最终实现重复频率为400 Hz,脉冲宽度为8 ns,单脉冲能量达到500 mJ的线偏振脉冲激光输出。