星载激光测距系统中激光器技术分析及发展展望

颜凡江 郑永超 陶宇亮

（北京空间机电研究所，北京 100076）

1 引言

星载激光测距（测高）是一种重要的空间遥感手段，激光器是保证测距系统指标的关键设备。1960年5月15日，美国休斯实验室的梅曼（T.H.Maiman）发明了世界上第一台激光器。此后到1971年，一台闪光灯泵浦红宝石激光器作为高度计的关键部件被搭载在“阿波罗15号”上送入太空[1]，成为人类历史上第一台星载激光器。由于脉冲氙灯作为泵浦源的效率及其寿命方面的限制，星载激光技术发展缓慢。直到20世纪80年代初期，量子阱的出现使得半导体激光器增益系数大幅提高，从而使半导体激光器成为固体激光器重要的泵浦源[2]。从此以后，星载激光器技术的发展日新月异，从指标参数、转换效率到可靠性、平台适应性都产生了巨大进步。到目前为止，已有多款半导体泵浦的全固态激光器成功运行于测距系统的天基平台。其中，由美国国家航空航天局（NASA）主持研制的一系列星载测距激光系统在不同时期代表了国际上的星载激光器的最高水平。本文对美国已成功运行的几款典型星载测距系统的激光器技术进行了分析（由于高度探测也是距离探测的一种，其探测光源即激光器同属于一个类型，文章将测高仪、高度计等测高系统归类于测距系统。），总结了该类全固态激光系统区别于地面传统激光系统的主要特点，并对其技术发展趋势做了展望。

2 美国星载激光测距系统中激光器技术的发展

从20世纪70年代初到80年代末期，NASA以阿波罗15、16、17号为代表的系列太空观测任务中，其测高系统中的激光发射光源，大都采用了闪光灯泵浦、机械调Q的红宝石激光器。然而由于脉冲氙灯的转换效率较低，发射谱线与晶体吸收峰不匹配以及寿命、可靠性等问题，星载固体激光器的发展一直较为缓慢。自90年代初开始，NASA开始采用准连续二极管阵列作为激光器的泵浦源，使得星载固体激光器的光束指标、转换效率、寿命、可靠性以及腔型的扩展性等方面都有很大提高。星载固体激光器技术出现了标志性的转变，开始了蓬勃的发展，下面将以几个标志性的测距（测高）系统为例，说明星载测距激光器的发展历程。

2.1 火星观测激光高度计

1992年9月25日，美国宇航局 （NASA）为了对火星进行观测，发射了火星观测者号飞船（Mars Observer），搭载了火星观测激光高度计（Mars Observer Laser Altimeter，MOLA），其中包含了人类历史上第一台激光二极管（Laser Diode，LD）泵浦的全固态激光系统。

MOLA所使用的激光器共发射了6.7×108次脉冲，这比此前美国所有星载激光雷达测量次数总和的十倍还多，MOLA的实际仪器性能和寿命全面优于理论设计要求。MOLA的激光发射机主要技术指标如下：28V电压下输出功率14.7W，泵浦光功率为60W，电光效率为3.3%。激光器输出脉冲能量50mJ（20℃以上高于40mJ），重频 10Hz，脉宽 8ns，发散角 450μrad，质量 5.3kg。

其技术方案采用二极管泵浦Nd：YAG板条晶体，具体如下：

1）泵浦源：采用4个11条的激光二极管阵列，泵浦脉冲宽度150μs，室温下泵浦峰值功率1 760W；

2） 激光晶体： 采用单块 Cr：Nd：YAG晶体，Nd3+掺杂浓度为 1at.%（原子百分比），Cr3+掺杂浓度为0.05at.%；晶体横截面尺寸3.4mm×3.4mm，长边57mm，短边46mm，晶体端面采用布儒斯特角切割。振荡光在晶体板条中反射9次；

3）谐振腔：采用交叉波罗棱镜谐振腔腔型，侧面泵浦“之”字形光路板条晶体。

4）调Q方式（Q为谐振腔内的光学品质因数）：采用铌酸锂晶体电光调Q，端面镜采用角锥棱镜，每个角锥棱镜前放置一个Risley棱镜进行调谐。由于角锥棱镜具有相移退偏的特性，放入0.57波片用做退偏补偿。

MOLA激光器的关键技术在于板条的泵浦结构以及激光二极管的整形技术。板条固体激光器利用光束在激光介质中以“Z形”光路传输及其板条的几何对称性，消除一阶热聚焦和应力退偏效应，进而提高光束品质和输出功率。激光二极管的泵浦光发散角比较大，需要经过柱面镜整形，成为较均匀的泵浦光带。谐振腔采用角锥棱镜作为腔镜，此类谐振腔腔内损耗比较大，但其失调灵敏度非常低，对于避免飞船发射时振动所带来的影响很有益处。另外，Nd：YAG晶体中掺杂了0.05 at.%的Cr3+离子，可以提高晶体的抗辐射性能。

2.2 近地行星探测系统

1996年2月17日，美国宇航局第一个Discovery项目启动，使用Deltal-Ⅱ型火箭将近地行星探测飞行器（Near Earth Asteroid Rangefider，NEAR-Laser Rangefinder，NLR）送入太空，激光测距仪作为5个载荷之一用来探测与行星之间的数据。

NLR激光器的主要技术指标为：单脉冲能量5mJ，重频可在1/8，1，2，8Hz之间切换，脉宽10～20ns，功耗22W，质量 5kg。

技术方案采用半导体激光二极管泵浦的Nd：YAG晶体板条结构，具体如下：

1）泵浦源：采用20bar的808nmGaAs激光二极管，脉冲宽度150μs。

2）激光晶体：采用泵浦光9次折返的Cr：Nd：YAG板条晶体，晶体采用单边泵浦、单边散热结构。泵浦端镀增透膜，散热面镀高反膜以提高泵浦光利用率。

3）谐振腔结构：采用偏振耦合的U型腔，腔内由两个角锥棱镜和一个3面直角棱镜组成，角锥棱镜前放置Risley棱镜进行准直调节，采用两个角锥棱镜作为腔镜以提供高稳定性。

4）调Q方式：仍然采用电光调Q，Q开关支路上放置0.57 波片，提供退偏补偿。

该方案采用的直角棱镜偏振耦合U型腔，是继MOLA以后一段时期内比较具有代表性的腔型结构，经过了多个星载激光器项目的验证，但NLR系统与其它系统不同的是，谐振腔内加了小孔光阑进行限模，通过增加高阶模损耗，提高了输出激光的光束品质。另外，腔外采用了9.3倍扩束减小发散角。

2.3 美国对地观测卫星地球科学激光测高系统

2003年1月12日，美国宇航局发射了对地观测卫星 （ICEsat），该卫星配备了地球科学激光测高系统（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS），用来获得地表、冰川、植被、云层等不同目标的高程信息。该系统激光器谐振腔结构方案如图1所示。

图1 GLAS激光器结构示意图Fig.1 Configuration of GLAS laser

GLAS激光器的主要技术指标为：双激光波长输出，1 064nm波长激光单脉冲能量74mJ，532nm激光单脉冲能量36mJ；激光线宽＜15pm；重频40Hz；脉宽5ns；1 064nm波长激光发散角150μrad，532nm激光发散角 475μrad；功耗 115W，质量 15.1kg。

GLAS激光器方案采用主振荡放大（Master Oscillator Power Amplifier，MOPA）结构，具体如下：

1）泵浦源：主振荡器泵浦源为两个100W的准连续激光二极管，预放大级泵浦源为8.1kW激光二极管阵列，放大级泵浦源为44.1kW激光二极管阵列；

2）激光晶体：主振荡器、预放大以及放大级都采用了板条Nd：YAG晶体；

3）调 Q 方式：Cr4+：YAG 晶体被动调 Q；

4）谐振腔采用主振荡放大结构，主振荡器由准连续激光二极管泵浦板条晶体，产生40Hz，2mJ，宽度5ns的近衍射极限（M2＜1.1，M2为光束品质因子）的光脉冲，经2倍望远镜扩束，注入预放级，预放级与振荡器之间通过TGG法拉第旋转器隔离，双程放大后得到的15mJ，M2=1.4的光脉冲，再经过2倍扩束，进入放大级，双程放大后达到110mJ，M2=1.8。最后输出的光束由具有高损伤阈值的I类相位匹配LBO（LiB3O5，三硼酸锂）晶体倍频，倍频效率为30%。

GLAS的激光器也是在MOLA的基础上发展而来，但在性能指标上已全面超过MOLA系统，其首次采用主振荡放大（MOPA）结构，在获得高能量输出的同时也使激光具有优异的光束品质；另外，该系统首次采用被动调Q方式，与传统的主动电光调Q相比，结构更加简单，且避免了高压驱动源的使用，在随后的多个星载激光器项目中几乎都采用了被动调Q方式。

2.4 美国月球观测轨道器月球轨道高度计

2009年6月，美国宇航局发射月球观测轨道器（LRO），其上搭载了月球轨道高度计（Lunar Orbiter Laser Altimeter，LOLA），用来获得月球的地形模型数据。LOLA激光器谐振腔结构方案基本上沿用了GLAS激光器的振荡器方案。

LOLA激光器的主要技术指标为：激光单脉冲能量3mJ，重频28Hz；脉宽6ns；发散角300μrad，功耗2W，质量9.6kg。

该方案采用单级偏振耦合的半导体激光器泵浦Nd：YAG板条结构，具体如下：

1）泵浦源采用两个60W半导体激光器阵列，脉冲宽度142～157μs；

2）激光晶体采用11次折返的Cr：Nd：YAG板条晶体；

3）调Q方式采用体光学密度为0.39的Cr4+：YAG饱和吸收晶体被动调Q；

4）谐振腔采用主振荡谐振腔与冷备份谐振腔共用输出镜的方式；腔内采用偏振耦合U型腔，交叉的波罗棱镜作为腔镜，激光由偏振棱镜耦合输出；

LOLA激光器由于输出能量仅为3mJ，在GLAS激光振荡器方案的基础上首次采用了主备激光器共用的光路结构，增加系统可靠性的同时减小了整机体积。

2.5 美国第二代对地观测卫星测高系统

美国宇航局计划在2015年发射第二代对地观测卫星 （Ice，Cloud and Land Elevation Satellite，ICESat-2），其测高系统中的GLAS-2激光器在GLAS激光器基础上作了重要改进，可靠性得到进一步提高。GLAS-2激光器谐振腔结构方案如图2所示。

图2 GLAS-2激光器结构示意图Fig.2 Configuration of GLAS-2 laser

该激光器的主要技术指标为：单脉冲能量50mJ，重频50Hz；脉宽6ns；功耗2W，质量9.6kg。

GLAS-2激光器方案采用主振荡放大结构，具体如下：

1）泵浦源：采用两个占空比为2%的200W GaInAsP半导体激光器阵列（Coherent公司G2产品），泵浦脉宽156μs，降额50%使用，半导体制冷器将温度控制在±0.2℃以内；

2）激光晶体：采用布儒斯特角切割、11次折返的Nd：YAG板条；

3）调Q方式：采用光学密度为0.32的Cr4+：YAG饱和吸收晶体被动调Q；

4）谐振腔：振荡器采用波罗棱镜腔、被动调Q的技术方案，腔长136mm，纵模间隔1.1GHz，波罗棱镜切边方向与激光晶体泵浦面呈45°角，以减小板条内的热效应，输出镜采用自由光谱范围为23pm的标准具输出镜；放大器采用环形泵浦结构，特制的楔形45°旋光片放置在全反镜前可以对在晶体内部产生的退偏振进行补偿，同时也用来做光学调整；主振荡输出3.5mJ，6ns，100Hz，经过二级放大，达到50mJ。

该激光器方案总体来说在原有的技术基础上实现了两大技术突破：1）采用标准具耦合输出镜，用一片单面镀膜的标准具做激光的耦合输出镜，既实现了激光反馈振荡，又起到选纵模、压缩线宽、提高光束品质的作用。同时，单面镀膜也提高了输出镜的损伤阈值，因为通常的激光输出镜外表面镀制的高增透膜层，很容易受到污染而导致镜片损伤，而此输出镜外表面无镀膜，也使激光器可靠性提高。2）采用了环形腔放大技术，通过对激光偏振态进行改变，用较少元件实现了单块增益介质的双通放大，进一步提高了系统效率。

美国近年来官方公布的其它星载测距（测高）任务及其激光器的主要参数见表1。

表1 星载测距(测高)激光器主要参数Tab.1 Main parameters of lasers used in space-borne altimeter

3 星载测距激光器的主要特点

通过对上述不同型号的星载测距激光器进行研究分析，发现此类激光器的主要特点可从以下方面进行归纳：

（1）指标参数

在指标参数上，星载测距激光器采用高能量、低重频的激光器。激光器的单脉冲能量主要由使用要求及平台环境决定。总体来说，星载测距激光器能量一般在10-1J量级以下。目前星载测距激光器大体可分为两种类型——高能量、低重频激光器与低能量、高重频激光器。前者对于脉宽以及探测器的要求相对较低，同时其探测效率也较低；后者则恰恰相反，其探测效率较高。近年来随着探测器技术的发展以及被动调Q的成功运用，低能量、高重频的激光器成为重要的星载激光技术发展方向。

（2）技术方案

从技术方案角度分析，星载测距系统中激光器的主要特点表现为：1）激光介质以板条状为主。激光器方案基本都是采用半导体激光器泵浦板条结构。光束在板条状的激光介质中以“Z形”光路传输，再加上其板条的几何对称性使得其光光转换效率比较高。对于传统的高能量、低重频全固态固体激光器，泵浦光到输出激光的转换效率一般为11%左右，而上述激光器的转换效率在16%以上。卫星平台上的电量供给比较有限，激光转换效率越高意味着电能消耗的越少，也就意味着供电单元的体积质量越小。对于激光系统，转换效率越高，激光晶体的热效应就越小，输出激光的稳定性与光束品质也越好；另外，在一个电子系统里，效率越高，产生的热量越少，意味着会有更长的寿命和更高的可靠性；2）激光器腔型多采用U型腔，配合角锥棱镜作为腔镜，光路中加入偏振棱镜进行耦合输出。利用角锥棱镜自准直的特点可以使谐振腔失调灵敏度降低，从而实现高稳定性能。因此这种腔型在有效的利用空间资源、使整机结构紧凑的同时，也保证了其高稳定、高可靠的性能；3）由于测距系统要求的激光能量越来越高，激光器多采用主振荡放大（MOPA）结构，在提供足够的输出能量基础上，也保证了优良的激光光束品质。

（3）装调工艺

在装调工艺上，星载测距激光器采用了高稳定措施。对于激光的光学谐振腔设计，一般要满足光学稳定、热稳定以及机械稳定3方面的要求。对于星载的激光系统而言，机械稳定性最为关键。从上述几个激光器结构可以看出，为满足这个要求，装调结构无一例外的采用了所有夹具一次固定，并用Risley棱镜调谐的方式降低光学元件夹具的自由度，保证高稳定的性能。美国在2006年发射的云-气溶胶激光雷达和红外探测者观测卫星系统（Cloud Aerosol LiDAR and Infrared Pathfinder Satellite Observations，CALIPSO）中，其激光器在不降低输出的情况下，失调量仅为0.1mrad。目前，这一指标在地面的激光器系统中也不易实现。

（4）可靠性设计

在可靠性设计方面，采用多方面降额设计。为提高光学元件的可靠性，美国在多个星载激光器系统中都采用了降额设计，一般半导体激光器的使用功率会降到其额定功率的75%以下使用，使得系统在激光二极管发生一定范围退化的情况下仍能够正常运转；腔内功率密度控制在Nd：YAG板条损伤阈值的1/3以下；输出激光峰值功率密度控制在光学表面损伤阈值的25%以下。在真空微重力的条件下，激光与光学薄膜的作用与地面情况下大为不同，光学薄膜更易损伤。美国自从2003年ICEsat项目中的GLAS系统出现接连故障后，在激光器可靠性方面做了很多的改进。实践证明，光学元件的降额设计对激光器可靠性的提高有至关重要的作用。

激光器是测距系统中的探测光源，在系统中起着至关重要的作用；同时，激光器结构复杂、所处环境严酷，若发生故障可能导致灾难性后果。星载激光器的主要特点大多都是为了保证其高效、高可靠性、长寿命工作（脉冲次数通常在108～109次）。当然，随着测距（测高）任务中测距精度、测距范围以及系统寿命等需求的多方位提升，激光器技术也在不断革新、发展。

4 星载测距激光器的发展趋势

对近年美国公布的下一代激光雷达计划进行分析发现，在激光参数指标上，其星载激光测距系统的激光技术已从单一的高能量、低重频激光器阶段，向高能量、低重频与高重频、低能量激光器并存阶段过渡。明显的标志是，美国对预计2015年发射的第二代对地观测卫星ICESat-2所采用的激光器技术方案进行了更改。2008年，NASA指出，ICESat-2激光器技术方案只是在ICESat所用激光器方案的基础上进一步提高了可靠性，整体上仍属于高能量、低重频技术，具体指标要求为单脉冲能量50mJ、脉宽6ns、重频50Hz。但是，2009年末，NASA又提出一套完全不同的高重频、低能量技术指标——单脉冲能量2mJ、脉宽1ns、重频10kHz、多波束同时探测。另外，在预计2020～2025年发射的美国NASA下一代高精度激光雷达 （LiDAR Surface Topography，LIST）计划中，激光器也同样属于高重复频率、低脉冲能量（单脉冲能量100μJ，脉宽1ns，重频10kHz）技术类型。

通常情况下，激光器的单脉冲能量由测距的任务和测试环境（如轨道高度、大气损耗、探测器种类等等）决定，而激光脉宽和重复频率则具有一般性，可以在一定程度上体现激光器的体制和技术类型。图3是20世纪90年代以来美国宇航局发射的几个典型高度计所采用的激光器重复频率与脉宽的变化。

图3 激光器脉宽与重复频率的变化趋势Fig.3 Trend of laser pulse width and repetition frequency

从图3可以看出，星载测距激光器的重复频率有迅速提高的趋势，而脉宽则呈逐渐下降之势。呈现这种趋势的原因是：从主观上，因为近年来世界各国对于星载测距有着高精度、高效率的技术要求。从客观角度分析，首先，由于近几年探测器技术的发展，其灵敏度已趋近单光子水平，使得测距在百千米测试轨道高度时，激光发射光脉冲能量可以降低到μJ量级；其次，在调Q方式上，GLAS以及LOLA系统中被动调Q晶体的成功应用使得激光脉宽得以进一步缩小，提高了测量精度，同时被动调Q可以实现比电光调Q更高的重复频率，这样配合多波束探测技术可以大幅提高探测效率。因此，众多因素决定了高重频、低能量激光技术将成为星载测距主流的激光器技术类型之一。

对于具体的高重频、低能量激光器种类，市场上成熟的商业化产品较多，但适用于星载的激光器类型比较有限，主要有微片激光器以及光纤激光器两种。微片固体激光器采用半导体激光器端面泵浦毫米级厚度的激光晶体，其谐振腔长度短，容易实现单模输出，且具有体积小、结构紧凑、稳定性高等优点，在腔内加入被动调Q晶体，可以方便的实现高重频输出。而光纤激光器是以光学纤维为基质，掺入某些活性离子作为工作介质的激光器。与传统固体激光器相比，光纤激光器具有激光阈值低、输出光束品质好、转换效率高，散热效果好、易于系统集成等显著优点；结合调Q技术可产生ns级、高重复频率的激光脉冲。

通过对美国以往及未来星载测距激光技术的总结和展望，可以发现星载测距用激光技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：

1）多种激光方案并存。在已有成熟的板条激光器的基础上，半导体泵浦的微片激光器或光纤激光器将成为星载测距主流的激光器类型之一。其中微片激光器典型的代表为以Yb3+：YAG为激光介质的微片固体激光器；光纤激光器可采用的类型主要有掺Yb3+、掺Nd3+等光纤激光器。

2）被动调Q方式已被证明是一种有效的星载激光器调Q技术，应予以关注。相对于主动调Q，被动调Q方式采用饱和吸收体（如Cr4+：YAG），可以减小脉冲宽度，提高重频，并且可以避免使用高压，降低电磁干扰。

3）以Yb3+为激活离子的激光介质有很大的发展潜力。Yb3+的吸收谱宽约为Nd3+的6倍，因此可以降低激光介质泵浦过程的温控精度。相对于Nd3+，Yb3+与Y3+晶格常数相近，可以高浓度掺杂，更适合高重频输出。

4）激光单频输出是一个重要的发展方向。在激光接收部分，激光测距的探测器前需要滤除背景噪声。通常的方法是通过镀膜或标准具，只允许发射激光附近波长的光透过。而激光的线宽越窄则可以滤除的背景噪声越多，测试精度越高。从GLAS，GLAS-2以及美国下一代高精度激光雷达LIST的指标参数中，可以看出其激光器都采用了单频激光输出。

5 结束语

激光遥感作为一种主动遥感技术在国际上已被广泛应用于海洋、陆地遥感以及深空探测。国内对这方面技术的需求非常迫切，相应的技术发展也较为迅速。但是，目前作为其关键设备的激光器，在理念上还缺乏从整机和应用角度进行研究的观念，品种上较为单一；在技术上，一些新颖的激光技术还不够成熟，不能适应星载需求；在工程上，多种稳定性、可靠性工艺还需要探索；在标准化上，也尚未建立相应的航天激光产品测试标准。总体来说，与国际水平还有较大差距。不过，近年来中国全固态激光技术发展很快，在地面已有了较好的研究基础，相信未来在各方需求的牵引下，在研究基础的技术推动下，中国的星载激光事业能够得到快速、长足的发展。

（References）

[1]Yu A W，Li S X，Stephen M A，et al.Spaceborne Laser Transmitters for Remote Sensing Applications[J].Proc.of SPIE，2010，7808：780817-1-780817-12.

[2]Neeck S P，Volz S M.NASA’s Earth Science Flight Program Status[J].Proc.of SPIE，2010，7826：7826T-1-7826T-10.

[3]Clole T D，Boies M T，EI-dinary A S，et al.Laser Rangefinder for the Near-earth Asteroid Rendezvous（NEAR） Mission[J].SPIE，1995，2581：2-26.

[4]Kushina M E，Grote M G，Wiswall C E，et al.Clementine：Diode-pumped Laser Qualification[J].SPIE，1995，2379：137-140.

[5]Ledebuhr A G，Kordas J F，Lewis I T，et al.Hires Camera and LIDAR Ranging System for the Clementine Mission[J].SPIE，1995，2472：62-81.

[6]Winker D M，Mccormick M P.Aerosol and Cloud Sensing with the Lidar In-space Technology Experiment（LITE）[J].SPIE，1994，2310：98-105.

[7]Afzal R S.Performance of the GLAS Laser Transmitter[J].Proc.of SPIE，2006，6100：610020-1-610020-9.

[8]Afzal R S，Yu A W，Dallas J L，et al.The Geoscience Laser Altimeter System（GLAS） Laser Transmitter[J].IEEE Jouranl of Selected Topics in Quantum Electronics，2007，13：511-536.

[9]Hovis F E.Qualification of the Laser Transmitter for the CALIPSO Aerosol Lidar Mission[J].Proc.of SPIE，2006，6100：61001X-1-61001X-10.

[10]Yu A W，Novo-Gradac A M，Shaw G B，et al.Design Considerations of the LOLA Laser Transmitter[J].Proc.of SPIE，2007，6451：64511S-1-64511S-10.

[11]Bordi F，Scolese C.An Overview of Earth Science Missions at the Goddard Space Flight Center[J].Proc.of SPIE，2001，4540：1-10.

[12]Yu A W，Li S X，Shaw G B，et al.Overview of Space Qualified Solid State Lasers Development at NASA Goddard Space Flight Center[J].SPIE，2009，7193：719305-1-719305-7.