星載激光測(cè)距系統(tǒng)中激光器技術(shù)分析及發(fā)展展望

顏凡江 鄭永超 陶宇亮

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

星載激光測(cè)距（測(cè)高）是一種重要的空間遙感手段，激光器是保證測(cè)距系統(tǒng)指標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備。1960年5月15日，美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼（T.H.Maiman）發(fā)明了世界上第一臺(tái)激光器。此后到1971年，一臺(tái)閃光燈泵浦紅寶石激光器作為高度計(jì)的關(guān)鍵部件被搭載在“阿波羅15號(hào)”上送入太空[1]，成為人類歷史上第一臺(tái)星載激光器。由于脈沖氙燈作為泵浦源的效率及其壽命方面的限制，星載激光技術(shù)發(fā)展緩慢。直到20世紀(jì)80年代初期，量子阱的出現(xiàn)使得半導(dǎo)體激光器增益系數(shù)大幅提高，從而使半導(dǎo)體激光器成為固體激光器重要的泵浦源[2]。從此以后，星載激光器技術(shù)的發(fā)展日新月異，從指標(biāo)參數(shù)、轉(zhuǎn)換效率到可靠性、平臺(tái)適應(yīng)性都產(chǎn)生了巨大進(jìn)步。到目前為止，已有多款半導(dǎo)體泵浦的全固態(tài)激光器成功運(yùn)行于測(cè)距系統(tǒng)的天基平臺(tái)。其中，由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）主持研制的一系列星載測(cè)距激光系統(tǒng)在不同時(shí)期代表了國(guó)際上的星載激光器的最高水平。本文對(duì)美國(guó)已成功運(yùn)行的幾款典型星載測(cè)距系統(tǒng)的激光器技術(shù)進(jìn)行了分析（由于高度探測(cè)也是距離探測(cè)的一種，其探測(cè)光源即激光器同屬于一個(gè)類型，文章將測(cè)高儀、高度計(jì)等測(cè)高系統(tǒng)歸類于測(cè)距系統(tǒng)。），總結(jié)了該類全固態(tài)激光系統(tǒng)區(qū)別于地面?zhèn)鹘y(tǒng)激光系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，并對(duì)其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)做了展望。

2 美國(guó)星載激光測(cè)距系統(tǒng)中激光器技術(shù)的發(fā)展

從20世紀(jì)70年代初到80年代末期，NASA以阿波羅15、16、17號(hào)為代表的系列太空觀測(cè)任務(wù)中，其測(cè)高系統(tǒng)中的激光發(fā)射光源，大都采用了閃光燈泵浦、機(jī)械調(diào)Q的紅寶石激光器。然而由于脈沖氙燈的轉(zhuǎn)換效率較低，發(fā)射譜線與晶體吸收峰不匹配以及壽命、可靠性等問(wèn)題，星載固體激光器的發(fā)展一直較為緩慢。自90年代初開(kāi)始，NASA開(kāi)始采用準(zhǔn)連續(xù)二極管陣列作為激光器的泵浦源，使得星載固體激光器的光束指標(biāo)、轉(zhuǎn)換效率、壽命、可靠性以及腔型的擴(kuò)展性等方面都有很大提高。星載固體激光器技術(shù)出現(xiàn)了標(biāo)志性的轉(zhuǎn)變，開(kāi)始了蓬勃的發(fā)展，下面將以幾個(gè)標(biāo)志性的測(cè)距（測(cè)高）系統(tǒng)為例，說(shuō)明星載測(cè)距激光器的發(fā)展歷程。

2.1 火星觀測(cè)激光高度計(jì)

1992年9月25日，美國(guó)宇航局 （NASA）為了對(duì)火星進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)射了火星觀測(cè)者號(hào)飛船（Mars Observer），搭載了火星觀測(cè)激光高度計(jì)（Mars Observer Laser Altimeter，MOLA），其中包含了人類歷史上第一臺(tái)激光二極管（Laser Diode，LD）泵浦的全固態(tài)激光系統(tǒng)。

MOLA所使用的激光器共發(fā)射了6.7×108次脈沖，這比此前美國(guó)所有星載激光雷達(dá)測(cè)量次數(shù)總和的十倍還多，MOLA的實(shí)際儀器性能和壽命全面優(yōu)于理論設(shè)計(jì)要求。MOLA的激光發(fā)射機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：28V電壓下輸出功率14.7W，泵浦光功率為60W，電光效率為3.3%。激光器輸出脈沖能量50mJ（20℃以上高于40mJ），重頻 10Hz，脈寬 8ns，發(fā)散角 450μrad，質(zhì)量 5.3kg。

其技術(shù)方案采用二極管泵浦Nd：YAG板條晶體，具體如下：

1）泵浦源：采用4個(gè)11條的激光二極管陣列，泵浦脈沖寬度150μs，室溫下泵浦峰值功率1 760W；

2） 激光晶體： 采用單塊 Cr：Nd：YAG晶體，Nd3+摻雜濃度為 1at.%（原子百分比），Cr3+摻雜濃度為0.05at.%；晶體橫截面尺寸3.4mm×3.4mm，長(zhǎng)邊57mm，短邊46mm，晶體端面采用布儒斯特角切割。振蕩光在晶體板條中反射9次；

3）諧振腔：采用交叉波羅棱鏡諧振腔腔型，側(cè)面泵浦“之”字形光路板條晶體。

4）調(diào)Q方式（Q為諧振腔內(nèi)的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)）：采用鈮酸鋰晶體電光調(diào)Q，端面鏡采用角錐棱鏡，每個(gè)角錐棱鏡前放置一個(gè)Risley棱鏡進(jìn)行調(diào)諧。由于角錐棱鏡具有相移退偏的特性，放入0.57波片用做退偏補(bǔ)償。

MOLA激光器的關(guān)鍵技術(shù)在于板條的泵浦結(jié)構(gòu)以及激光二極管的整形技術(shù)。板條固體激光器利用光束在激光介質(zhì)中以“Z形”光路傳輸及其板條的幾何對(duì)稱性，消除一階熱聚焦和應(yīng)力退偏效應(yīng)，進(jìn)而提高光束品質(zhì)和輸出功率。激光二極管的泵浦光發(fā)散角比較大，需要經(jīng)過(guò)柱面鏡整形，成為較均勻的泵浦光帶。諧振腔采用角錐棱鏡作為腔鏡，此類諧振腔腔內(nèi)損耗比較大，但其失調(diào)靈敏度非常低，對(duì)于避免飛船發(fā)射時(shí)振動(dòng)所帶來(lái)的影響很有益處。另外，Nd：YAG晶體中摻雜了0.05 at.%的Cr3+離子，可以提高晶體的抗輻射性能。

2.2 近地行星探測(cè)系統(tǒng)

1996年2月17日，美國(guó)宇航局第一個(gè)Discovery項(xiàng)目啟動(dòng)，使用Deltal-Ⅱ型火箭將近地行星探測(cè)飛行器（Near Earth Asteroid Rangefider，NEAR-Laser Rangefinder，NLR）送入太空，激光測(cè)距儀作為5個(gè)載荷之一用來(lái)探測(cè)與行星之間的數(shù)據(jù)。

NLR激光器的主要技術(shù)指標(biāo)為：?jiǎn)蚊}沖能量5mJ，重頻可在1/8，1，2，8Hz之間切換，脈寬10～20ns，功耗22W，質(zhì)量 5kg。

技術(shù)方案采用半導(dǎo)體激光二極管泵浦的Nd：YAG晶體板條結(jié)構(gòu)，具體如下：

1）泵浦源：采用20bar的808nmGaAs激光二極管，脈沖寬度150μs。

2）激光晶體：采用泵浦光9次折返的Cr：Nd：YAG板條晶體，晶體采用單邊泵浦、單邊散熱結(jié)構(gòu)。泵浦端鍍?cè)鐾改ぃ崦驽兏叻茨ひ蕴岣弑闷止饫寐省?/p>

3）諧振腔結(jié)構(gòu)：采用偏振耦合的U型腔，腔內(nèi)由兩個(gè)角錐棱鏡和一個(gè)3面直角棱鏡組成，角錐棱鏡前放置Risley棱鏡進(jìn)行準(zhǔn)直調(diào)節(jié)，采用兩個(gè)角錐棱鏡作為腔鏡以提供高穩(wěn)定性。

4）調(diào)Q方式：仍然采用電光調(diào)Q，Q開(kāi)關(guān)支路上放置0.57 波片，提供退偏補(bǔ)償。

該方案采用的直角棱鏡偏振耦合U型腔，是繼MOLA以后一段時(shí)期內(nèi)比較具有代表性的腔型結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)了多個(gè)星載激光器項(xiàng)目的驗(yàn)證，但NLR系統(tǒng)與其它系統(tǒng)不同的是，諧振腔內(nèi)加了小孔光闌進(jìn)行限模，通過(guò)增加高階模損耗，提高了輸出激光的光束品質(zhì)。另外，腔外采用了9.3倍擴(kuò)束減小發(fā)散角。

2.3 美國(guó)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)

2003年1月12日，美國(guó)宇航局發(fā)射了對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星 （ICEsat），該衛(wèi)星配備了地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS），用來(lái)獲得地表、冰川、植被、云層等不同目標(biāo)的高程信息。該系統(tǒng)激光器諧振腔結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 GLAS激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Configuration of GLAS laser

GLAS激光器的主要技術(shù)指標(biāo)為：雙激光波長(zhǎng)輸出，1 064nm波長(zhǎng)激光單脈沖能量74mJ，532nm激光單脈沖能量36mJ；激光線寬＜15pm；重頻40Hz；脈寬5ns；1 064nm波長(zhǎng)激光發(fā)散角150μrad，532nm激光發(fā)散角 475μrad；功耗 115W，質(zhì)量 15.1kg。

GLAS激光器方案采用主振蕩放大（Master Oscillator Power Amplifier，MOPA）結(jié)構(gòu)，具體如下：

1）泵浦源：主振蕩器泵浦源為兩個(gè)100W的準(zhǔn)連續(xù)激光二極管，預(yù)放大級(jí)泵浦源為8.1kW激光二極管陣列，放大級(jí)泵浦源為44.1kW激光二極管陣列；

2）激光晶體：主振蕩器、預(yù)放大以及放大級(jí)都采用了板條Nd：YAG晶體；

3）調(diào) Q 方式：Cr4+：YAG 晶體被動(dòng)調(diào) Q；

4）諧振腔采用主振蕩放大結(jié)構(gòu)，主振蕩器由準(zhǔn)連續(xù)激光二極管泵浦板條晶體，產(chǎn)生40Hz，2mJ，寬度5ns的近衍射極限（M2＜1.1，M2為光束品質(zhì)因子）的光脈沖，經(jīng)2倍望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束，注入預(yù)放級(jí)，預(yù)放級(jí)與振蕩器之間通過(guò)TGG法拉第旋轉(zhuǎn)器隔離，雙程放大后得到的15mJ，M2=1.4的光脈沖，再經(jīng)過(guò)2倍擴(kuò)束，進(jìn)入放大級(jí)，雙程放大后達(dá)到110mJ，M2=1.8。最后輸出的光束由具有高損傷閾值的I類相位匹配LBO（LiB3O5，三硼酸鋰）晶體倍頻，倍頻效率為30%。

GLAS的激光器也是在MOLA的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，但在性能指標(biāo)上已全面超過(guò)MOLA系統(tǒng)，其首次采用主振蕩放大（MOPA）結(jié)構(gòu)，在獲得高能量輸出的同時(shí)也使激光具有優(yōu)異的光束品質(zhì)；另外，該系統(tǒng)首次采用被動(dòng)調(diào)Q方式，與傳統(tǒng)的主動(dòng)電光調(diào)Q相比，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，且避免了高壓驅(qū)動(dòng)源的使用，在隨后的多個(gè)星載激光器項(xiàng)目中幾乎都采用了被動(dòng)調(diào)Q方式。

2.4 美國(guó)月球觀測(cè)軌道器月球軌道高度計(jì)

2009年6月，美國(guó)宇航局發(fā)射月球觀測(cè)軌道器（LRO），其上搭載了月球軌道高度計(jì)（Lunar Orbiter Laser Altimeter，LOLA），用來(lái)獲得月球的地形模型數(shù)據(jù)。LOLA激光器諧振腔結(jié)構(gòu)方案基本上沿用了GLAS激光器的振蕩器方案。

LOLA激光器的主要技術(shù)指標(biāo)為：激光單脈沖能量3mJ，重頻28Hz；脈寬6ns；發(fā)散角300μrad，功耗2W，質(zhì)量9.6kg。

該方案采用單級(jí)偏振耦合的半導(dǎo)體激光器泵浦Nd：YAG板條結(jié)構(gòu)，具體如下：

1）泵浦源采用兩個(gè)60W半導(dǎo)體激光器陣列，脈沖寬度142～157μs；

2）激光晶體采用11次折返的Cr：Nd：YAG板條晶體；

3）調(diào)Q方式采用體光學(xué)密度為0.39的Cr4+：YAG飽和吸收晶體被動(dòng)調(diào)Q；

4）諧振腔采用主振蕩諧振腔與冷備份諧振腔共用輸出鏡的方式；腔內(nèi)采用偏振耦合U型腔，交叉的波羅棱鏡作為腔鏡，激光由偏振棱鏡耦合輸出；

LOLA激光器由于輸出能量?jī)H為3mJ，在GLAS激光振蕩器方案的基礎(chǔ)上首次采用了主備激光器共用的光路結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)可靠性的同時(shí)減小了整機(jī)體積。

2.5 美國(guó)第二代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星測(cè)高系統(tǒng)

美國(guó)宇航局計(jì)劃在2015年發(fā)射第二代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星 （Ice，Cloud and Land Elevation Satellite，ICESat-2），其測(cè)高系統(tǒng)中的GLAS-2激光器在GLAS激光器基礎(chǔ)上作了重要改進(jìn)，可靠性得到進(jìn)一步提高。GLAS-2激光器諧振腔結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。

圖2 GLAS-2激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Configuration of GLAS-2 laser

該激光器的主要技術(shù)指標(biāo)為：?jiǎn)蚊}沖能量50mJ，重頻50Hz；脈寬6ns；功耗2W，質(zhì)量9.6kg。

GLAS-2激光器方案采用主振蕩放大結(jié)構(gòu)，具體如下：

1）泵浦源：采用兩個(gè)占空比為2%的200W GaInAsP半導(dǎo)體激光器陣列（Coherent公司G2產(chǎn)品），泵浦脈寬156μs，降額50%使用，半導(dǎo)體制冷器將溫度控制在±0.2℃以內(nèi)；

2）激光晶體：采用布儒斯特角切割、11次折返的Nd：YAG板條；

3）調(diào)Q方式：采用光學(xué)密度為0.32的Cr4+：YAG飽和吸收晶體被動(dòng)調(diào)Q；

4）諧振腔：振蕩器采用波羅棱鏡腔、被動(dòng)調(diào)Q的技術(shù)方案，腔長(zhǎng)136mm，縱模間隔1.1GHz，波羅棱鏡切邊方向與激光晶體泵浦面呈45°角，以減小板條內(nèi)的熱效應(yīng)，輸出鏡采用自由光譜范圍為23pm的標(biāo)準(zhǔn)具輸出鏡；放大器采用環(huán)形泵浦結(jié)構(gòu)，特制的楔形45°旋光片放置在全反鏡前可以對(duì)在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的退偏振進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)也用來(lái)做光學(xué)調(diào)整；主振蕩輸出3.5mJ，6ns，100Hz，經(jīng)過(guò)二級(jí)放大，達(dá)到50mJ。

該激光器方案總體來(lái)說(shuō)在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了兩大技術(shù)突破：1）采用標(biāo)準(zhǔn)具耦合輸出鏡，用一片單面鍍膜的標(biāo)準(zhǔn)具做激光的耦合輸出鏡，既實(shí)現(xiàn)了激光反饋振蕩，又起到選縱模、壓縮線寬、提高光束品質(zhì)的作用。同時(shí)，單面鍍膜也提高了輸出鏡的損傷閾值，因?yàn)橥ǔ５募す廨敵鲧R外表面鍍制的高增透膜層，很容易受到污染而導(dǎo)致鏡片損傷，而此輸出鏡外表面無(wú)鍍膜，也使激光器可靠性提高。2）采用了環(huán)形腔放大技術(shù)，通過(guò)對(duì)激光偏振態(tài)進(jìn)行改變，用較少元件實(shí)現(xiàn)了單塊增益介質(zhì)的雙通放大，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)效率。

美國(guó)近年來(lái)官方公布的其它星載測(cè)距（測(cè)高）任務(wù)及其激光器的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 星載測(cè)距(測(cè)高)激光器主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of lasers used in space-borne altimeter

3 星載測(cè)距激光器的主要特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)上述不同型號(hào)的星載測(cè)距激光器進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)此類激光器的主要特點(diǎn)可從以下方面進(jìn)行歸納：

（1）指標(biāo)參數(shù)

在指標(biāo)參數(shù)上，星載測(cè)距激光器采用高能量、低重頻的激光器。激光器的單脈沖能量主要由使用要求及平臺(tái)環(huán)境決定。總體來(lái)說(shuō)，星載測(cè)距激光器能量一般在10-1J量級(jí)以下。目前星載測(cè)距激光器大體可分為兩種類型——高能量、低重頻激光器與低能量、高重頻激光器。前者對(duì)于脈寬以及探測(cè)器的要求相對(duì)較低，同時(shí)其探測(cè)效率也較低；后者則恰恰相反，其探測(cè)效率較高。近年來(lái)隨著探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展以及被動(dòng)調(diào)Q的成功運(yùn)用，低能量、高重頻的激光器成為重要的星載激光技術(shù)發(fā)展方向。

（2）技術(shù)方案

從技術(shù)方案角度分析，星載測(cè)距系統(tǒng)中激光器的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：1）激光介質(zhì)以板條狀為主。激光器方案基本都是采用半導(dǎo)體激光器泵浦板條結(jié)構(gòu)。光束在板條狀的激光介質(zhì)中以“Z形”光路傳輸，再加上其板條的幾何對(duì)稱性使得其光光轉(zhuǎn)換效率比較高。對(duì)于傳統(tǒng)的高能量、低重頻全固態(tài)固體激光器，泵浦光到輸出激光的轉(zhuǎn)換效率一般為11%左右，而上述激光器的轉(zhuǎn)換效率在16%以上。衛(wèi)星平臺(tái)上的電量供給比較有限，激光轉(zhuǎn)換效率越高意味著電能消耗的越少，也就意味著供電單元的體積質(zhì)量越小。對(duì)于激光系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換效率越高，激光晶體的熱效應(yīng)就越小，輸出激光的穩(wěn)定性與光束品質(zhì)也越好；另外，在一個(gè)電子系統(tǒng)里，效率越高，產(chǎn)生的熱量越少，意味著會(huì)有更長(zhǎng)的壽命和更高的可靠性；2）激光器腔型多采用U型腔，配合角錐棱鏡作為腔鏡，光路中加入偏振棱鏡進(jìn)行耦合輸出。利用角錐棱鏡自準(zhǔn)直的特點(diǎn)可以使諧振腔失調(diào)靈敏度降低，從而實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性能。因此這種腔型在有效的利用空間資源、使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)，也保證了其高穩(wěn)定、高可靠的性能；3）由于測(cè)距系統(tǒng)要求的激光能量越來(lái)越高，激光器多采用主振蕩放大（MOPA）結(jié)構(gòu)，在提供足夠的輸出能量基礎(chǔ)上，也保證了優(yōu)良的激光光束品質(zhì)。

（3）裝調(diào)工藝

在裝調(diào)工藝上，星載測(cè)距激光器采用了高穩(wěn)定措施。對(duì)于激光的光學(xué)諧振腔設(shè)計(jì)，一般要滿足光學(xué)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定以及機(jī)械穩(wěn)定3方面的要求。對(duì)于星載的激光系統(tǒng)而言，機(jī)械穩(wěn)定性最為關(guān)鍵。從上述幾個(gè)激光器結(jié)構(gòu)可以看出，為滿足這個(gè)要求，裝調(diào)結(jié)構(gòu)無(wú)一例外的采用了所有夾具一次固定，并用Risley棱鏡調(diào)諧的方式降低光學(xué)元件夾具的自由度，保證高穩(wěn)定的性能。美國(guó)在2006年發(fā)射的云-氣溶膠激光雷達(dá)和紅外探測(cè)者觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)（Cloud Aerosol LiDAR and Infrared Pathfinder Satellite Observations，CALIPSO）中，其激光器在不降低輸出的情況下，失調(diào)量?jī)H為0.1mrad。目前，這一指標(biāo)在地面的激光器系統(tǒng)中也不易實(shí)現(xiàn)。

（4）可靠性設(shè)計(jì)

在可靠性設(shè)計(jì)方面，采用多方面降額設(shè)計(jì)。為提高光學(xué)元件的可靠性，美國(guó)在多個(gè)星載激光器系統(tǒng)中都采用了降額設(shè)計(jì)，一般半導(dǎo)體激光器的使用功率會(huì)降到其額定功率的75%以下使用，使得系統(tǒng)在激光二極管發(fā)生一定范圍退化的情況下仍能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)；腔內(nèi)功率密度控制在Nd：YAG板條損傷閾值的1/3以下；輸出激光峰值功率密度控制在光學(xué)表面損傷閾值的25%以下。在真空微重力的條件下，激光與光學(xué)薄膜的作用與地面情況下大為不同，光學(xué)薄膜更易損傷。美國(guó)自從2003年ICEsat項(xiàng)目中的GLAS系統(tǒng)出現(xiàn)接連故障后，在激光器可靠性方面做了很多的改進(jìn)。實(shí)踐證明，光學(xué)元件的降額設(shè)計(jì)對(duì)激光器可靠性的提高有至關(guān)重要的作用。

激光器是測(cè)距系統(tǒng)中的探測(cè)光源，在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用；同時(shí)，激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、所處環(huán)境嚴(yán)酷，若發(fā)生故障可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。星載激光器的主要特點(diǎn)大多都是為了保證其高效、高可靠性、長(zhǎng)壽命工作（脈沖次數(shù)通常在108～109次）。當(dāng)然，隨著測(cè)距（測(cè)高）任務(wù)中測(cè)距精度、測(cè)距范圍以及系統(tǒng)壽命等需求的多方位提升，激光器技術(shù)也在不斷革新、發(fā)展。

4 星載測(cè)距激光器的發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)近年美國(guó)公布的下一代激光雷達(dá)計(jì)劃進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在激光參數(shù)指標(biāo)上，其星載激光測(cè)距系統(tǒng)的激光技術(shù)已從單一的高能量、低重頻激光器階段，向高能量、低重頻與高重頻、低能量激光器并存階段過(guò)渡。明顯的標(biāo)志是，美國(guó)對(duì)預(yù)計(jì)2015年發(fā)射的第二代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星ICESat-2所采用的激光器技術(shù)方案進(jìn)行了更改。2008年，NASA指出，ICESat-2激光器技術(shù)方案只是在ICESat所用激光器方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了可靠性，整體上仍屬于高能量、低重頻技術(shù)，具體指標(biāo)要求為單脈沖能量50mJ、脈寬6ns、重頻50Hz。但是，2009年末，NASA又提出一套完全不同的高重頻、低能量技術(shù)指標(biāo)——單脈沖能量2mJ、脈寬1ns、重頻10kHz、多波束同時(shí)探測(cè)。另外，在預(yù)計(jì)2020～2025年發(fā)射的美國(guó)NASA下一代高精度激光雷達(dá) （LiDAR Surface Topography，LIST）計(jì)劃中，激光器也同樣屬于高重復(fù)頻率、低脈沖能量（單脈沖能量100μJ，脈寬1ns，重頻10kHz）技術(shù)類型。

通常情況下，激光器的單脈沖能量由測(cè)距的任務(wù)和測(cè)試環(huán)境（如軌道高度、大氣損耗、探測(cè)器種類等等）決定，而激光脈寬和重復(fù)頻率則具有一般性，可以在一定程度上體現(xiàn)激光器的體制和技術(shù)類型。圖3是20世紀(jì)90年代以來(lái)美國(guó)宇航局發(fā)射的幾個(gè)典型高度計(jì)所采用的激光器重復(fù)頻率與脈寬的變化。

圖3 激光器脈寬與重復(fù)頻率的變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of laser pulse width and repetition frequency

從圖3可以看出，星載測(cè)距激光器的重復(fù)頻率有迅速提高的趨勢(shì)，而脈寬則呈逐漸下降之勢(shì)。呈現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因是：從主觀上，因?yàn)榻陙?lái)世界各國(guó)對(duì)于星載測(cè)距有著高精度、高效率的技術(shù)要求。從客觀角度分析，首先，由于近幾年探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，其靈敏度已趨近單光子水平，使得測(cè)距在百千米測(cè)試軌道高度時(shí)，激光發(fā)射光脈沖能量可以降低到μJ量級(jí)；其次，在調(diào)Q方式上，GLAS以及LOLA系統(tǒng)中被動(dòng)調(diào)Q晶體的成功應(yīng)用使得激光脈寬得以進(jìn)一步縮小，提高了測(cè)量精度，同時(shí)被動(dòng)調(diào)Q可以實(shí)現(xiàn)比電光調(diào)Q更高的重復(fù)頻率，這樣配合多波束探測(cè)技術(shù)可以大幅提高探測(cè)效率。因此，眾多因素決定了高重頻、低能量激光技術(shù)將成為星載測(cè)距主流的激光器技術(shù)類型之一。

對(duì)于具體的高重頻、低能量激光器種類，市場(chǎng)上成熟的商業(yè)化產(chǎn)品較多，但適用于星載的激光器類型比較有限，主要有微片激光器以及光纖激光器兩種。微片固體激光器采用半導(dǎo)體激光器端面泵浦毫米級(jí)厚度的激光晶體，其諧振腔長(zhǎng)度短，容易實(shí)現(xiàn)單模輸出，且具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在腔內(nèi)加入被動(dòng)調(diào)Q晶體，可以方便的實(shí)現(xiàn)高重頻輸出。而光纖激光器是以光學(xué)纖維為基質(zhì)，摻入某些活性離子作為工作介質(zhì)的激光器。與傳統(tǒng)固體激光器相比，光纖激光器具有激光閾值低、輸出光束品質(zhì)好、轉(zhuǎn)換效率高，散熱效果好、易于系統(tǒng)集成等顯著優(yōu)點(diǎn)；結(jié)合調(diào)Q技術(shù)可產(chǎn)生ns級(jí)、高重復(fù)頻率的激光脈沖。

通過(guò)對(duì)美國(guó)以往及未來(lái)星載測(cè)距激光技術(shù)的總結(jié)和展望，可以發(fā)現(xiàn)星載測(cè)距用激光技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）多種激光方案并存。在已有成熟的板條激光器的基礎(chǔ)上，半導(dǎo)體泵浦的微片激光器或光纖激光器將成為星載測(cè)距主流的激光器類型之一。其中微片激光器典型的代表為以Yb3+：YAG為激光介質(zhì)的微片固體激光器；光纖激光器可采用的類型主要有摻Y(jié)b3+、摻Nd3+等光纖激光器。

2）被動(dòng)調(diào)Q方式已被證明是一種有效的星載激光器調(diào)Q技術(shù)，應(yīng)予以關(guān)注。相對(duì)于主動(dòng)調(diào)Q，被動(dòng)調(diào)Q方式采用飽和吸收體（如Cr4+：YAG），可以減小脈沖寬度，提高重頻，并且可以避免使用高壓，降低電磁干擾。

3）以Yb3+為激活離子的激光介質(zhì)有很大的發(fā)展?jié)摿Αb3+的吸收譜寬約為Nd3+的6倍，因此可以降低激光介質(zhì)泵浦過(guò)程的溫控精度。相對(duì)于Nd3+，Yb3+與Y3+晶格常數(shù)相近，可以高濃度摻雜，更適合高重頻輸出。

4）激光單頻輸出是一個(gè)重要的發(fā)展方向。在激光接收部分，激光測(cè)距的探測(cè)器前需要濾除背景噪聲。通常的方法是通過(guò)鍍膜或標(biāo)準(zhǔn)具，只允許發(fā)射激光附近波長(zhǎng)的光透過(guò)。而激光的線寬越窄則可以濾除的背景噪聲越多，測(cè)試精度越高。從GLAS，GLAS-2以及美國(guó)下一代高精度激光雷達(dá)LIST的指標(biāo)參數(shù)中，可以看出其激光器都采用了單頻激光輸出。

5 結(jié)束語(yǔ)

激光遙感作為一種主動(dòng)遙感技術(shù)在國(guó)際上已被廣泛應(yīng)用于海洋、陸地遙感以及深空探測(cè)。國(guó)內(nèi)對(duì)這方面技術(shù)的需求非常迫切，相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展也較為迅速。但是，目前作為其關(guān)鍵設(shè)備的激光器，在理念上還缺乏從整機(jī)和應(yīng)用角度進(jìn)行研究的觀念，品種上較為單一；在技術(shù)上，一些新穎的激光技術(shù)還不夠成熟，不能適應(yīng)星載需求；在工程上，多種穩(wěn)定性、可靠性工藝還需要探索；在標(biāo)準(zhǔn)化上，也尚未建立相應(yīng)的航天激光產(chǎn)品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。總體來(lái)說(shuō)，與國(guó)際水平還有較大差距。不過(guò)，近年來(lái)中國(guó)全固態(tài)激光技術(shù)發(fā)展很快，在地面已有了較好的研究基礎(chǔ)，相信未來(lái)在各方需求的牽引下，在研究基礎(chǔ)的技術(shù)推動(dòng)下，中國(guó)的星載激光事業(yè)能夠得到快速、長(zhǎng)足的發(fā)展。

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