陶瓷单频激光器研究-钱学森试验室.PDFVIP

钱学森空间技术实验室研究通讯 陶瓷单频激光器研究 王 磊 （钱学森空间技术实验室空间技术与应用基础研究部，北京100094） 1 背景介绍 单频激光是指同时满足基横模和单纵模条件的激光，除了具备普通激光良好 的方向性和高亮度特点之外，单频激光还拥有普通激光难以企及的相干长度和谱 线宽度。普通激光的光谱宽度在 nm 级别（10-9m），而单频激光的线宽能到 Hz 量级（10-21m ）。单频激光在激光遥感、激光测距、光谱学、光频标准和非线性 光学频率变换等领域具有广泛的应用。在天基激光遥感领域，单频激光的价值不 断被挖掘，基于单频激光开发的测风激光雷达是当前实现全球三维风场测量的唯 一手段；差分吸收激光雷达能够在全球范围内实现精度达到1ppm 的温室气体分 布测量；NASA 研制的新一代气溶胶激光雷达将探测光源升级为单频激光，在气 溶胶种类和含量反演时大大降低了由于经验参数所造成的反演不确定度；而基于 超窄线宽单频激光研制的引力波测量装置在2016 年大放异彩，在此基础上发展 的新一代低低跟踪重力卫星系统，有望将全球重力场模型精度提升一个数量级； 即使在传统的激光测距领域，在研的几个激光高度计载荷也都对激光线宽做出了 限制。除此之外，将单频激光与合成孔径技术结合发展的合成孔径激光雷达近年 也取得了一些突破，合成孔径激光雷达在成像精度方面的优势以及高精度三维成 像方面的潜力，有望使其成为空间碎片探测的有效手段之一。 半导体激光器泵浦的全固态单频激光具有光束质量好、效率高、能量高等优 点，是天基激光应用的理想光源，早期主要采用激光晶体或者激光玻璃作为增益 介质。激光陶瓷是上世纪九十年代诞生的一类新型增益介质，与传统的激光晶体 相比，具有掺杂浓度高、掺杂均匀性好、烧结温度低、制备周期短、成本低、毛 坯尺寸大、形状自由度高、可以实现多层掺杂等优点；与传统的激光玻璃相比， 具有单色性好、结构组成更为理想、热导率高、可承受的辐射功率高等优点。但 早期的激光陶瓷由于制备工艺不完善，整体均匀性较差，而且制备技术主要掌握 在日本神岛化学公司等少数机构手中，大大限制了其发展。近年来，除了日本在 激光陶瓷及应用领域持续进步保持领先之外，美国劳伦斯国家实验室、法德研究 院、南洋理工大学、波兰军事科技大学、上海硅酸盐研究所、徐州师范大学、山 东大学、武汉理工等国内外多家研究单位在激光陶瓷研制及激光陶瓷激光方面都 取得了突破性进展，陶瓷激光在高品质激光源方面展现出的优势，将使其成为天 基激光应用光源极具竞争力的方案之一。 2 研究目标 针对天基激光遥感应用需求，重点研究窄线宽单频种子激光源技术、单频激 - 1 - 钱学森空间技术实验室研究通讯 光主被动稳频技术、大能量脉冲从动激光源技术、种子注入锁定技术、高光束质 量脉冲放大技术等关键技术，研究谱段覆盖可见光到短波红外，为各类天基遥感 应用提供高品质单频激光源，同时探索新型激光应用技术。研究技术框架如图1 所示。 图1 研究技术框架 3 研究进展 在天基激光遥感、天地激光通信等应用领域，激光的大气传输特性直接影响 应用效果。而且，由于激光良好的指向性，使得即使经过远距离传输后仍有较高 的功率密度，因此激光在自由空间传输时，激光安全也是需要特别考虑的因素， 根据国际激光安全标准的相关规定，结合美国空军地球物理实验室MODTRAN 数 据库，得到人眼安全波段的大气窗口为：1.5~1.8μm、2~2.4μm。研究工作集中在 1.6 微米和2.1 微米两个波段。 3.1 谐振泵浦1.6μm 陶瓷单频激光源 在没有进行纵模选择的条件下，大部分激光器为多纵模输出，纵模之间具有 相同的频率间隔，且频率间隔反比与谐振腔的腔长。目前实现固体激光器单频运 转的方案大致可以分为三类：1）增加腔内纵模间距，保证有效增益区内只有一 个纵模，典型代表是薄片腔单频激光器；2 ）改变腔内不同纵模的损耗，使损耗 最低的纵模优先起振，从而抑制其它模式起振，典型代表是腔内插标准具单频激 光器和耦合腔单频激光器；3 ）利用腔内元件消除空间烧孔效应，抑制多纵模激 光输出，典型代表是单块非平面环形腔单频激光器和扭转模腔单频激光器。不