多波段激光检测光源模块设计

沈晓彦，王凯，易翔翔

(1.中国兵器工业标准化研究所，北京 100089；2.32382部队，北京 100072；3.中国电子科技集团公司第十五研究所，北京 100083)

激光因其波束小、指向性强、精度高，广泛应用于激光制导和激光测距等领域。在激光装备的维修和保障过程中，利用特定波长的激光信号模拟器模拟激光脉冲信息是评价激光装备接收性能的一种主要手段[1]。由于激光装备形式多样，发射脉冲覆盖波段众多，导致配备检测维修设备种类繁多，不利于军事随行保障。因此需要研制集成化、模块化的检测设备，以满足激光装备基层级和基地级的检测维修需求。

为满足多种波长激光装备的模块化检测需求，笔者研制了一种能够输出多波长激光光束的光源模块，使得激光检测光源具有结构简单、体积质量小和易于调制的特点，能够避免作战维修场地有限的制约，提高检测精度和效率，为激光装备日常维护及随行保障提供支撑。

目前在光通信领域，实现多波长集成和切换一般有两种方案，一是采用波长可调谐激光器作为光源[2-3]，但其波长可调范围有限；二是利用MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems，微光机电)集成波长选择开关技术进行波长切换[4]。虽然上述多波长集成方案在光通信领域获得大量应用，但其存在制作工艺复杂、成本高昂的缺点，难以应用于激光装备维修的多波长光源模块。文献[1]较早地提出了利用可转动的全反射镜将分布在不同位置的4种波长的光源引入至准直镜头，实现了不同波长的切换，但因为存在转动机构，长期使用可靠性差，易造成光轴失调。文献[5-6]提出了将多种波段激光发光器件进行底层集成，形成准共轴光源，实际上无法形成精确的共轴光路。因此，笔者设计了一种无转动机构的光路切换方案，结合不同波长的激光二极管发射光源，可实现共轴输出的多波长集成化光源。相比于其他方案，具有体积小、质量小、低成本、无需机械式切换、易于测试仪器集成的优点。

1 多波段激光光源的设计

1.1 多波段激光器选型

半导体激光二极管是一种体积小、易于驱动的激光器，适合在激光装备检测中使用。笔者选用了某研究所生产的3种波长的脉冲激光二极管，其主要参数如表1所示。激光二极管结构形式为TO56形式，内部实现初步准直，并生成圆形光斑，其实物如图1所示。通过光线追踪仿真，如图2所示，可以看出该激光二极管封装能够实现良好的准直效果。

表1 半导体脉冲激光二极管参数表

1.2 多波段共轴光路设计

多波段共轴光路设计用于满足多波段光源在同一光轴输出[7]。笔者采用主光路为1 064 nm准直激光为标准光束，上、下分别是905 nm和1 550 nm两路附加光束，附加光束通过半透半反45°镜耦合到主光路，实现多波段激光的共光轴准直输出。如图3所示。

图3中，透反镜1全透1 064 nm波段，全反905 nm波段。透反镜2全反1 550 nm波段，全透905、1 064 mm两个波段。发射物镜是三光耦合扩束镜，采用三片式弯月透镜和胶合透镜相结合的方式进行设计，可以起到有效消除像差的作用，光路如图4所示。

导光介质是200 μm芯径光纤，采用光纤可以达到对出光功率进行匀化的目的。其中光纤NA数值采用0.21设计，最终扩束准直径达到的标准全角为4 mrad，远场RMS半径1.1 mrad，GEN半径达到2.1 mrad；FFT MTF参数达到0.1～0.5之间；FFT PSF函数指标良好。

通过发射电路分别控制3路激光二极管的发射与关闭，即可模拟不同波长的激光发射光源，从而实现3种波长的自由切换。

1.3 激光发射电路设计

多波段激光光源的发射电路应满足发射脉冲宽度窄、频率可调、功率可调的要求，特别是脉冲宽度决定着模拟精度[8-9]。笔者设计的窄脉冲驱动电路由窄脉冲发射电路和窄脉冲发生电路两部分组成，其中窄脉冲发射电路如图5所示。

通过反复控制MOS管Q1的开关状态就能不断的产生脉冲。在放电回路中，由储能电容产生的脉冲是按指数衰减的。假设充电电压为U0(图5为15 V)，当电容充电完成后其电压也等于U0；此时使得Q1导通，储能电容开始通过回路放电，忽略电路中的寄生电感的影响，该电路的电流解I为

(1)

式中，R和C分别为RC电路的阻值和容值。可以看出，时间常数RC和U0/R分别决定着衰减程度和峰值电流的大小。因此采用这种方法负载上最终得到的脉冲在很大程度上受RC回路因素的影响。Q1开关时间则对脉冲的上升和下降沿起着决定作用。因此可以解得电流i随时间t的变化满足如下关系：

(2)

式中，L为RC回路的寄生电感。

在激光二极管达到额定功率时管压降为2 V，激光二极管的等效电阻为0.4 Ω，电路寄生电感越大，其发射脉冲上升时间越长。电路寄生电阻越大，其所需供电电压越高。因此在电路设计时，尽量减小电路的寄生电阻和寄生电感，在选取电容时，要考虑其额定电压、等效串联电阻(ESR)以及电容温度稳定性对发射电路性能的影响，应选取额定电压高，ESR小的陶瓷电容。

由于3种不同波长的激光二极管阻抗特性存在差异，因此需要制作3种不同RC参数的驱动电路。分别对加工制作完成的窄脉冲驱动电路进行测试，利用示波器观察激光二极管两端电压。如图7所示为1 064 nm激光二极管窄脉冲波形，可以看出笔者设计的窄脉冲驱动电路能够产生4 ns脉宽的发射脉冲，上升和下降时间很陡，能够满足激光光源窄脉冲发射的需求。其他两种波长的激光二极管窄脉冲驱动电路经RC电路参数的调整，也能达到该效果。

2 实验验证

设计完成的多波段激光光源如图8所示，3种波长的激光二极管通过内部光路进行共轴并耦合至光纤，最后通过光纤准直镜头输出。为了验证其性能，设计了实验平台，分别采集激光光斑和发射功率。

2.1 激光光斑质量检测

如图9(a)所示，利用CCD相机拍摄上转换板可以得到光斑图像。对3种不同波长的激光光斑图像分别进行处理，可以得到光斑直径、质心和均匀性等。编写图像处理程序对距离出光口3 m处的光斑进行处理，通过提取光斑轮廓可以将其拟合成圆，得到光斑直径和质心[10]；将光斑像素值的分布绘成三维图，可以分析出其均匀度，如图9(b)所示。

控制3种波长的激光二极管分别发射激光，得到其光斑图像分析结果如表2所示，可知，经过共轴设计的不同波长激光光斑直径、质心和均匀性指标一致性好，证明了光路设计的良好性能。

表2 激光光斑质量检测结果

2.2 激光波长、发射功率和效率检测

利用光谱仪、光功率计等测试仪器分别对3种波长激光的波长、发射功率分别进行采集，其中发射理论值设定为相同值，发射电路参数根据此发射功率进行设定。检测结果如表3所示，可知，通过共光轴设计，出光口峰值功率具有较好的一致性，但后期使用时应进行标定。

表3 激光波长、发射功率和效率检测结果

3 结论

为满足多波段激光装备的检测，笔者设计了一种集成化的多波段激光光源模块，在光路上采用透反镜和光纤准直镜头，实现了905、1 064、1 550 nm 3种波长激光的共光轴输出，并可通过电路选择输入其中任意一种激光。为满足高速窄脉冲驱动的需求，采用了超高速器件开关充放电电路，实现了激光光源的窄脉冲发射。实验结果验证了设计的可行性和有效性，为下一步应用于激光装备检测奠定了基础。