陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达激光器设计

张鑫 孟俊清 刘经启 吴姚芳 施君杰 赖宁安 夏浩伟 宋铁强 刘丹 杨成 王明建 侯霞 陈卫标

陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达激光器设计

张鑫 孟俊清 刘经启 吴姚芳 施君杰 赖宁安 夏浩伟 宋铁强 刘丹 杨成 王明建 侯霞 陈卫标

（中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800）

陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达用于森林碳汇遥测，通过计算激光到达树冠和地面的时间差获取高精度的植被高度。激光器作为多波束激光雷达的发射光源，是其核心和关键部件。激光雷达对光源的需求是高光束品质、高脉冲重复频率的大能量纳秒脉冲激光。激光器采用主振荡功率放大的技术路线，振荡级为正交双Porro被动调Q超稳谐振腔构型，输出重复频率40Hz、脉冲宽度约4ns、单脉冲能量约2mJ的单频脉冲激光；放大级采用板条放大技术，获得单脉冲能量75mJ、光束品质因子2优于1.5的激光输出，达到雷达所需光源指标要求，证明该激光器设计合理，可作为高重频对地遥感类激光光源的设计参考。

被动调Q 板条放大 空间全固态激光器 多波束激光雷达 陆地生态系统碳监测卫星 航天遥感

0 引言

陆地生态系统碳监测卫星是世界首颗森林碳汇主被动联合观测的遥感卫星，能实现对森林植被生物量、气溶胶分布、叶绿素荧光的高精度定量遥感测量[1]。多波束激光雷达是陆地生态系统碳监测卫星的主载荷，主要用于获取高精度的植被高度，通过计算激光到达树冠以及地面的时间差，计算出树木的高度。多波束激光雷达配置5波束激光，每个波束为独立发射的一台全固态激光器。

空间激光器的发展与空间应用系统紧密相关，人类第一台激光器发明后10余年就开始应用于太空环境，1971年，“阿波罗15号”搭载的激光高度计采用闪光灯泵浦的红宝石调Q激光器，工作波长694.3nm、单脉冲能量200mJ、脉冲宽度为10ns、重复频率为3.75脉冲/min[2]。红宝石晶体是当时激光晶体中最成熟的激光介质，且仅能采用氙灯泵浦，因此该激光器重复频率低、体积、质量都相对较大，但在空间应用激光器历史上，该激光器的研制具有开创性意义。从20世纪90年代开始，空间激光器开始广泛地应用于对地遥感[3-8]、月球探测[9-13]、火星探测[14-15]、水星探测[16]，普遍采用激光二极管泵浦的全固态激光器（Diode Pumped Solid State Laser，DPSSL），使固体激光器的整体质量、体积、效率得到了极大改善。

相较于地面激光器，空间激光器运行环境复杂，需经受严酷的力学振动环境考验，需要在真空、失重、太空辐照等条件下保持长寿命且稳定的激光输出。2003年，NASA发射的地球科学激光高度计系统（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS）搭载3台激光器，首次将被动调Q的Nd: YAG激光器应用于空间环境，通过倍频同时获得75mJ的1 064nm基频光与35mJ的532nm倍频光输出，重复频率为40Hz[4]。GLAS激光高度计中的三台激光器在轨工作时都出现了短时间内激光能量快速下降的现象。经过后续分析认为，主要原因是全固态激光器中的泵浦激光二极管在真空环境的合金化导致连接电极的金丝断裂[17]。虽然GLAS激光器在轨表现不够完美，但其验证了多项激光雷达技术，为后续空间长寿命大能量激光器提供设计参考。2006年，NASA发射云、气溶胶激光雷达及红外导航卫星观测航天器（Cloud Aerosol LiDAR and Infrared Pathfinder Satellite Observations，CALIPSO），采用单级振荡输出的电光调Q板条激光器，发射波长为1 064nm及其倍频的532nm，能量均为110mJ，重复频率20Hz[18]。CALIPSO主份激光器在轨3年内能量下降7%，但由于密封性能下降，2009年2月切换至备份激光器，3年内能量下降11%[19]。2018年，欧洲航空局发射的ALADIN（Atmospheric LAser Doppler INstrument）激光器采用种子注入Nd:YAG板条放大获得单纵模1 064nm激光，再经三倍频获得355nm激光，单脉冲能量为180mJ，脉冲重复频率50Hz，脉冲宽度20ns[6]。ALADIN携带的2台激光器在轨出现了不同程度的能量下降，其中主份激光器能量下降较快，原因分析为振荡级失谐[20]。

为了获得更高密度的遥测数据，激光雷达对激光器的脉冲重复频率和激光波束数提出更高的要求。2018年，美国NASA发射的先进地形激光测高仪（Advanced Topographic Laser Altimeter System，ATLAS）搭载一主一备两台激光器，振荡级采用电光调Q、半导体激光端面泵浦的Nd:YVO4晶体获得重复频率为10kHz、能量200μJ、脉宽小于1.5ns的单纵模激光输出，三级放大后经过倍频获得能量调节范围为250μJ～1.2mJ、脉宽<1.5ns的532nm激光[7]。预计于2025年发射的低地球轨道激光成像雷达（LiDAR Surface Topography，LIST）激光器计划采用1 000波束的重复频率为10kHz的微脉冲脉冲激光输出[21]，目标是获得高密度的遥测数据。

多波束激光雷达激光器的主要技术要求包括激光脉冲能量达到75mJ、激光的重复频率为40Hz、激光光束品质因子2小于1.5。此外，对激光器的寿命要求为在轨工作时间8年，单台累积脉冲发射次数1×109次。相较于“高分七号”卫星测高仪激光器[8]，对激光器的重复频率、平均功率及累积脉冲发射次数提出更高的要求。本文描述多波束激光雷达激光器设计、研制及寿命试验情况。

图1 单台激光器组成框图

表1 激光器主要技术指标

1 激光器设计

多波束激光雷达配备5台激光器，同时工作发射5波束激光。5台激光器之间相互独立，可以根据指令独立加断电。单台激光器包括激光器光学头部和激光器控制驱动模块两部分，激光器光学头部包括激光振荡级光学系统、激光放大级光学系统、能量及压力探测电路；激光器控制驱动模块包括激光器二次电源、主控电路、驱动电路及电容电路。单台激光器的组成框图如图1所示。

单台激光器的主要技术指标如表1所示，对激光能量、重复频率、指向稳定性、相对同步信号的出光时刻抖动及在轨寿命提出很高要求。

激光器采用主振荡功率放大（Master Oscillator Power Amplifier，MOPA）的技术路线，为了在激光的时间特性和空间特性上均获得良好的输出，振荡级采用被动调Q的正交双Porro腔激光器，输出近衍射极限的小能量激光脉冲，再通过板条放大器对脉冲进行放大，光路示意图如图2所示。

图2 激光器光路示意图

激光的行进方向为：双Porro被动调Q偏振耦合振荡级输出垂直偏振、单脉冲能量2mJ、脉冲宽度约4ns、重复频率40Hz、光斑1.2mm，发散角2.4mrad的激光；使用空间光隔离器将振荡级光路与放大级隔离，防止放大级及后续光路对振荡级的稳定运转产生影响。经过隔离器后的激光偏振方向仍然为垂直偏振光，再经过3倍扩束镜将光斑直径扩到3.5mm，经过偏振分光棱镜（Polarization Beamsplitter，PBS）进入板条放大级。放大级为偏振双程放大设计，单程通过时为垂直偏振光，经由一个Porro棱镜和0.57λ波片组成全反镜反射后光束的偏振方向旋转为水平偏振光，经过板条二次放大后穿过PBS输出，放大后的激光参数为能量75mJ、脉宽约4ns、发散角0.8mrad；最后经过2倍扩束镜输出，光斑约为4mm，发散角约为0.4mrad。

激光器收到雷达系统的同步信号后经过时间输出激光脉冲，=delay+L+Δ。其中，delay为激光器泵浦电流相对同步触发的延时量，调节范围是20μs～520μs；调节精度为2μs，可由雷达系统依据工作时序参数设置；L是激光器泵浦电流脉宽，为200μs；Δ是激光脉冲出光抖动。被动调Q激光器中，产生调Q脉冲的时刻有一定的随机性，通过闭环控制振荡级泵浦电流大小改变腔内反转粒子数，进而调节出光时刻，使出光脉冲的相对抖动量Δ小于15μs。

激光器设有两个能量探测点，采用两个光电探测器分别对振荡级激光和放大后的输出激光进行能量探测。振荡级的能量探测为粗探测，仅探测振荡级激光的有无，用于振荡级电流的闭环控制：将初始电流设为振荡级出光阈值电流以下，此时探测器测不到激光脉冲，由激光器控制器FPGA软件控制激光器控制器逐渐增大振荡级电流，直到能量探测电路采集到激光脉冲，振荡级电流不再增加。放大级能量探测为精探测，探测结果作为遥测量发送给上位机。放大器的工作电流为固定值，不做闭环控制，可以通过指令注入进行在轨开环调整。

1.1 振荡级

振荡级采用与“高分七号”卫星激光测高仪激光器相同的正交双Porro谐振腔构型[8]，采用该构型可以提高振荡级的抗失谐特性。激光晶体采用侧面泵浦的“之”字形Nd:YAG板条，2个端面均为布儒斯特角切割。为了提高泵浦光的吸收率，在远离泵浦光的另一个大面上镀有808nm高反膜，该面同时作为晶体与热沉的焊接面，以减小晶体的温度梯度对光束品质的影响。调Q晶体采用Cr4+:YAG晶体，与主动调Q相比，不需要高压、快速电光驱动器或射频调制器，降低激光器的复杂度；另外还可以通过激光纵模的模式竞争获得单纵模运转，从而使激光脉冲的形状光滑。被动调Q获得稳定单纵模运转的条件是相邻两个纵模的脉冲建立时间差大于脉冲宽度。Nd:YAG晶体的增益加宽可以用洛伦兹曲线表示，纵模的建立时间与纵模的增益、腔内损耗、被动调Q晶体的初始透过率等相关[22]，通过调节波片，使PBS偏振耦合输出率为60%[23]，选择Cr4+:YAG晶体初始透过率为35%～40%时，获得脉冲能量2mJ、脉冲宽度约4ns、光斑1.2mm、发散角2.4mrad的垂直线偏振激光。图3分别为振荡级输出激光的近场光斑、远场光斑及累积72 000次脉冲余辉图，脉冲保持单纵模输出，无尖峰毛刺，为激光器的长寿命高可靠工作提供保障。

图3 振荡级近场光斑（左）、远场光斑（中）与脉冲图（右）

振荡级泵浦激光二极管（Laser Diode，LD）在驱动电流脉冲下工作，发射泵浦光。激光增益介质吸收泵浦光产生粒子数反转，振荡级中调Q晶体为可饱和吸收体，其吸收系数随光强的增加而减小直到饱和。在开始阶段，腔内自发荧光很弱，调Q晶体的吸收系数很大，光的透过率很低，腔处于低Q值（高损耗）状态，不能形成激光振荡。随着泵浦光的增加，反转粒子数逐渐积累，腔内荧光逐渐变强，当光强能与可饱和吸收体的饱和光强相比拟时，调Q晶体的吸收系数变小，透过率变大，到一定数值时吸收达到饱和值，腔内光通量会急剧增大，Q开关“饱和”，产生调Q激光脉冲。因为泵浦是脉冲式的，腔内光场迅速减弱，调Q晶体恢复吸收特性，起到将腔关闭的作用，然后再重复以上的过程，输出与泵浦LD重复频率相同的脉冲激光。

腔内反转粒子数由激光晶体对泵浦光的吸收决定。常规的半导体激光器的温度漂移系数为0.3nm/℃，而Nd: YAG晶体的吸收峰宽度一般为2nm，因此随着LD波长的漂移，泵浦光的吸收率会显著变化，从而导致腔内反转粒子数变化，导致不同温度时阈值电流差异较大，限制了激光器的温度适应性。为了提升激光器工作温度范围，设计采用温度不敏感的垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）作为泵浦源，其温度漂移系数仅为0.09nm/℃，可大幅提升激光器工作温度范围。由于其功率密度较低，寿命可提高至1×1010次。采用VCSEL阵列进行侧面泵浦，为获得足够高的泵浦功率密度，采用微透镜阵列对VCSEL进行准直后，再用柱透镜将泵浦光整形为线形光束[24]。

得益于卫星热控技术的进步，采用环路热管对激光器进行热控，可以将激光器的温度控制在0–2℃到0+2℃以内（0为激光器工作的中心温度，约为20℃）。为了保持5台激光器的工作温度一致，对VCSEL进行筛选，挑选出在20℃100A工作电流下，波长在（807.0±0.2）nm内的VCSEL阵列进行装机，将5台激光器的中心工作温度差异控制在1℃以内。

图4 激光输出近场光斑（左）与远场光斑（右）

1.2 放大级

放大级采用偏振双程板条放大设计，泵浦采用8组LD阵列，分两侧排布并置于“之”字 形的全内反射点，以提高提取效率。每个阵列 5个巴条，单个巴条的最高功率为150W，降额至约90W使用。激光晶体为截面6mm×6mm的“之”字形Nd:YAG板条，采用2个全内反射面为泵浦面，非泵浦面作为冷却面与热沉焊接。主放大级冷却为非“之”字形面，存在热透镜效应。通过特殊设计，将Porro棱镜45°放置，使第一次通过板条的激光光斑和经过Porro镜反射后第二次通过板条激光光斑的水平和竖直两个方向扭转，使放大级输出光斑在两个方向上的发散角一致，见图4。最终经过2倍扩束镜后输出，光斑约4mm，发散角约0.4mrad，激光光束品质两个方向均小于1.5，见图5。

图5 激光输出光束品质

1.3 驱动控制模块设计

激光器驱动控制模块的主要功能是：将卫星的输入电源转换为所需的二次电源、控制振荡级及放大级泵浦LD阵列的驱动电流、开启激光器、采集激光器的遥测量、监测激光器健康状态，并与上位机（多波束激光雷达测距管理控制器）进行通信。激光器驱动控制模块的框图如图6所示。

图6 驱动控制模块框图

激光器的二次电源包括+30V、+5V、±12V和+100V。其中：+30V为激光器振荡级LD的储能电容充电电源，+100V电源为放大级LD的储能电容充电电源，由可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）输出电流控制信号，导通大功率金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET），使储能电容对LD阵列放电。LD驱动电路的工作电流设置上限达到120A，实际工作在约100A。+5V电源为主控板数字电路供电电源。±12V电源给能量探测以及恒流驱动电路供电。

硬件配套中，将波束1、波束2、波束3三台激光器光学头部的控制驱动模块集成在激光器控制器1单机中，将波束4、波束5两台激光器光学头部的控制驱动模块集成在激光器控制器2单机中。功能组成框图如图7所示。

图7 5台激光器功能组成框图

激光器控制器1与激光器控制器2，共用一个FPGA软件配置项。安装在激光控制器1与激光控制器2内的FPGA主控板分别控制3台激光器与2台激光器，主要功能是：能够准确识别激光器控制器1与激光器控制器2；对每台激光器进行独立控制；通过接收测距管理控制器同步信号，输出满足指标要求的激光脉冲，配合测距管理控制器完成对激光器工作参数的设置与工作状态的遥测。

2 激光器研制

多波束激光雷达激光器从2016年开始研制，先后经历电性件、鉴定件及正样件阶段。最终交付的正样飞行件产品包括5台激光器光学头部和2台激光器控制器。5台激光器光学头部的功能指标、结构尺寸相同。交付的5台激光器主要性能参数如表2所示。为了防止真空有机挥发物对激光光学元件表面造成污染，激光器的光学头部采用密封设计，内部气压保持在120kPa，并采用压力传感器对压力进行监测。

表2 5台激光器主要光学参数列表

交付的正样飞行件产品如图8、图9所示。

图8 正样飞行件产品——激光器光学头部

图9 正样飞行件产品——激光器控制器

3 激光器寿命试验

激光器的寿命要求为在轨8年，激光脉冲发射次数≥1×109次。为了验证激光器的技术路线及工程可靠性，采用与正样激光器光学头部批次相同的元器件及原材料，相同的工艺流程，搭建一台激光器寿命件。将激光器在室温常压下进行老化试验，试验条件为单脉冲能量75mJ、重复频率40Hz，试验过程中实时监测激光器输出能量。试验开始的1×107个脉冲平均 能量为74.2mJ，累积脉冲1.0×109后，试验结束前的1×107个脉冲平均能量为74.5mJ，能量稳定。激光器寿命试验曲线如图10所示。多波束激光雷达激光器已于2022年8月4日发射，目前在轨工作正常，能量稳定。

图10 激光器寿命试验曲线

4 结束语

陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达激光器采用被动调Q振荡级结合激光板条放大的MOPA路线，创新采用VCSEL低温敏泵浦源，实现单脉冲能量75mJ、脉冲重复频率40Hz、光束品质因子小于1.5的稳定激光输出，并进行了寿命考核试验，证明该激光器设计合理，可作为高重频对地遥感类激光光源的设计参考。激光器在轨工作状态正常，为我国“碳达峰、碳中和”目标实现提供重要支持。

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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

国家重点工程研制项目及预研项目；中国科学院青年创新促进会项目（2021243）

张鑫, 孟俊清, 刘经启, 等. 陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达激光器设计[J]. 航天返回与遥感, 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)

张鑫，男，1986年生。2014年获中国科学院大学光学工程专业博士学位，现为中国科学院上海光学精密机械研究所高级工程师。主要研究方向为空间激光器技术。E-mail：zhangxin@siom.ac.cn。

（编辑：庞冰）