用于NASA的全球生态系统动态调查（GEDI）激光雷达的激光研制外文翻译资料

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用于NASA的全球生态系统动态调查（GEDI）激光雷达的激光研制

摘要：

戈达德太空飞行中心的激光与光电学科一直负责建造用于全球生态系统动力学研究（GEDI）激光雷达任务的激光器，将要安装在在国际空间站（ISS）的日本实验舱（JEM）内。GEDI将使用三个NASA开发的激光器，每个激光器再加上光束抖动单元（BDU），在地球表面上产生三组交错足迹来精确测量全球的生物质能。文章将报告这一激光系统的设计、装配进度、测试结果和交付过程。

关键词：雷达，激光，振荡器，Nd:YAG，Q开关，ISS

1. 引言

GEDI激光雷达的激光器采用的基本架构采用的是高输出效率谐振器（HOMER）的激光系统。HOMER激光器结构已经发展了10多年，设计之初的目的主要是为了减少激光器内部的器件数量和提高空间飞行的应用可靠性。这套系统是从Armandillo等人在1997年设计的激光器而演变而来的。这个激光架构经过多年的论证且能达到高稳定性要求，因此大部分结构都保留不变。在物理层面，这套激光器也不断地测试改进了几个地方，包括在元件组成部分和系统级别方面。HOMER结构设计的所有的腔结构组成部分都经过了技术准备水平（TRL）6级测试水平，或者经过了之前的任务测试（TRL9）。HOMER结构的成功对GEDI卫星项目提供了很大的帮助，并且经过再次的优化来达到好的激光输出来满足科学任务的要求。

1. GEDI激光雷达的激光器结构

GEDI卫星的激光器结构和各个接口如图1所示。GEDI上激光器的主要功能负责提供10mJ的1064nm调Q激光脉冲。激光器包含了光学底座和泵浦模块，将稍后讨论，并且激光器被封装在盒子里面。在封装盒内，有高压电光调q开关电路，开启脉冲的光学传感器，压力和温度传感器，和内部安全保护套。在电学部分，激光器的电路区域（LEU），主要作用是随着激光二极管的驱动电流信号来给电光Q开关加上高压，和接收温度和压力传感器的数据。安装在激光器外部的水冷器和半导体制冷（TEC）将激光二极管的温度控制在35℃。在光学部分，有一整块小型光束扩束器来提供任务所需的输出光偏差。最后，3块钛金属片被安装到GEDI的光学底座上。日本实验舱（JEM）和GEDI的模型图如图2所示。

图1 . GEDI卫星的激光器结构和接口示意图

图2. GEDI激光器将安装在GEDI激光雷达系统里面，如右图所示。这个激光雷达将被送到国际空间站的日本实验舱上，如左图所示。

1. 设计的参数要求指标

表1罗列了GEDI激光器的设计指标要求。激光设计小组在这项GEDI工程都严格按照指标要求来设计，采用了目前所能达到的最好硬件。这些要求和驱动参数将通过建设ETU和空间飞行单元而不断优化。

表1：GEDI激光器的参数指标：

1. 激光器设计
   1. 激光谐振腔概要

GEDI激光器的HOMER设计采用的是航天品质的Nd：YAG晶体，二极管泵浦的全固态谐振腔加上主振荡功率放大器（MOPA）系统产生高质量的光束和稳定的脉冲能量。HOMER结构的激光器有高转换效率，较少的原件器数，和已论证的高寿命，可以运行2年以上（＞16亿个脉冲）。这台激光器在稳定腔内采用了侧面泵浦的之字形板条，这样就导致激光器在没有被动的光束整形器下很难产生TEM₀₀ 模。而在腔内使用Porro棱镜就能使激光器产生高质量的单模光束。然而这些元件被证实会产生强大的光学衍射效应并且将减少总的光学损耗阻抗。这些引入的光学扰动将减少效率，光学平均损伤阈值通过产生光学尖峰，暂时的和空间的，构造上的干扰效应在光学材料和外层之下。这影响了总的系统可靠性、引入了强烈的抖动并最终降低了最终激光器系统的性能。假如成功做到有台激光器能产生TEM₀₀ 且不产生损耗，这样光学转换效率就将降低且之字形板条的优势也将不存在。二者选其一，激光器最后采用梯度反射率反射镜（GRM）的谐振腔设计，加上最佳泵浦的之字形板条，上面那些问题都将减少并且能使谐振腔工作的更加好。

使用GRM作为输出耦合器，TEM₀₀ 脉冲能量可以从gt; 10 mJ仅限振荡器的设计中获得并且突然地可扩展，因为产生相对较大的腔内低能量光束作为系统的光束质量基础。最终的谐振腔设计长度为40 cm。它采用正（凹）半径曲率（ROC），99.9％HR镜以及负（凸）237 cm ROC GRM，分别使用大约32％和65％的有效平均反射率和峰值反射率。为了产生1064nm的增益开关激光脉冲，采用了由电光（EO）pockel的电池和一对无源偏振光学器件组成的有源Q开关和四分之一波片和薄膜偏光片（TFP）。作为GEDI计划的一部分，所有交付的具有涂层的光学元件样品将通过激光诱导的损坏测试（LIDT）。在过去十年中，使用LIDT的测试值以及模型和验证的实验结果，激光团队可以了解激光器在特定配置下运行的能量级别是否安全。其光学设计如图3所示。

图3 上方可以看到具有22个bounce点的板条和GRM的GEDI激光光学腔布局。 这在激光光学工作台（蓝色）中实现，泵模块在布局在下方可见。

• 1. 激光增益泵送方案

HOMER的增益模块或激光头采用7个4巴条的 809nm LDA激光源，它们泵浦1.1％掺杂的Nd：YAG的22个bounce点的之字形板条。由未掺杂的Nd：YAG制成的长的平凸透镜柱状透镜来集中这28个巴条产生的这些高度散光的光束。这产生了与Nd：YAG横截面相似尺寸的高度集中的增益区域，垂直于光学谐振腔光轴，其储能被谐振腔模式有效地提取。事实上，由于系统的泵浦效率非常高，所以激光二极管的降额工作可以给激光器留有余量，可以用于补偿任何意外的激光损耗。所用的激光二极管可以运行至少高达100A和200mu;s。相比之下，当激光器配置为以10 mJ的输出能量运行时，二极管工作在50 A和40mu;s下来泵浦增益介质。当组装二极管泵模块时，泵浦透镜与二极管面之间的距离被密切监测，因为将它们放置在沿着泵表面的小吸收峰被证实产生并触发微透镜效应的光学损伤的区域中。

• 1. 机械设计部分

GEDI激光机械设计可以将子部件模块化，分为3个主要部分：外壳，泵浦模块和光学平台。除了一些光学支架和钛合金弯曲件与仪器光学平台接口之外，这三个部分主要由铝制成。每项设计的要求都是为了使GEDI在使用寿命期间在空间环境下能够维持正常工作而设计。在整个设计中已经进行了有限元建模，并且发现它满足所有的钻孔瞄准抖动和对准要求。此外，激光外壳需要在任务的使用期限间将激光器内部加压至少1个大气压。一个和激光器外壳一样的外壳将会用于压力封装设计。机械设计要求也将在环境认证测试中与ETU一起确认。激光团队招标的这种模块化硬件设计允许在整个组装和对准过程中进行频繁的光学检查。可以通过最小的侵入性技术快速解决激光器构建中可能发生的任何问题，并且不需要对腔体重新对准。此外，如图3所示，光学工作台可以从泵浦模块（图4）中移除，如果需要，可完全对齐和操作而不需要外壳。因此，二者可以独立地并行地制造，测试和表征。 这种非线性制造能力有助于加快进度和减少成本。 如图5所示，不具有Titanium光学支架的全铝组件的质量要大于9 kg。

图4 二极管安装到铝制基座上，铝基座热固定到外壳地板上。激光板条晶体安装在W：Cu散热片和铝桥上。泵浦透镜位于板条晶体和二极管之间，并高精度放置。它们都被组合起来形成完整的装配，如左上角所示。

图5 完整的GEDI激光组件如上图所示。注意： 当激光器安装在GEDI光学台上时，激光将以此方向内置，密封，加压，然后倒转180°。 这样可以方便地接入用于安装在JEM日本实验舱的热敏板和TEC。

• 1. 散热部分考虑

GEDI激光设计需要主动冷却给激光二极管降温，以便保持激光二极管阵列（LDAs）提供Nd：YAG所需的吸收泵浦波长。另外，必须保持稳定的工作温度，以保证轨道上所需的开启时间。JEM提供的液体冷却回路需要额外的主动控制，因为到达每个激光器的流体温度会经历6 C°的温度摆动，这取决于其路径中的其他热负荷。因此，一对热电冷却器（TEC）将驻留在激光基座和JEM液体导热板之间。当激光关闭或处于待机模式时，这将使基座和LDA保持在35（plusmn;2）℃范围内。否则，光学平台和外壳设计将成内部热应力不会影响激光器的性能。在热真空测试期间，激光系统将在50°C至-10°C的整个范围内进行测试。

• 1. 激光性能概要

每个GEDI激光器以242赫兹发射，产生10-16 mJ的11-16 ns Q开关脉冲，且波长为1064nm的TEM₀₀的光束。 这个任务需要一个可靠的激光，在任务的整个使用周期内将持续至少32亿次脉冲次数（平均每个轨道占33％的工作周期）。我们最近发布了一个完整的生命周期数据集，我们运行了我们的HOMER-2激光器发射了超过15x10⁹次脉冲。 这相当于连续运行2年，测量衰减率仅约为0.1 mJ / 10亿。因此，该激光设计为GEDI任务提供了可靠的保障。 该寿命测试在当激光器产生20mJ以下的TEM₀₀激光脉冲时，证明了仅振荡器无放大的设计的优点超过了等效的MOPA系统。即使拥有广泛的开发历史，资格和测试数据的HOMER激光器设计，GEDI任务的激光器性能要求需要该设计从HOMER-2 TRL6系统稍作修改。这些修改已经在HOMER-1工程部门实施，在最近的长期运行中，能够以必要的能量输出水平轻松达到32亿次（任务要求）。 前期和后期检查在这些参数下显示无损伤运行，进一步证明了HOMER振荡器概念的有效性。任何剩余的激光性能要求都在GEDI激光面包板系统上进行了测试。 应该注意的是，作为这个测试的一部分，激光系统的已知损伤触发器，包括纵向模拟跳动和小规模自聚焦，将通过测试过程连续监测。最后，通过激光诱导损伤测试和高精度数学模型（GRM和激光平板）确定的最高风险光学元件在每次主要实验或任何阶跃变化后进行光学损伤检查。 激光器性能的总结可见图6。

图6 GEDI激光器性能的概述，输出能量为10mJ。注意：这些值不使用微型光束扩展器。

• 1. 激光制造和测试计划概述

激光团队的任务是交付ETU激光，三个飞行单位和飞行备件。 GEDI ETU激光器已经制造了硬件，并开始组装。 ETU和飞行激光器将通过相同的组装和测试过程，一般例外，在ETU构建期间获得的经验教训将在飞行版本上进行仔细的记录，评估和实施。ETU和飞行单位都将使用定制的电气和光学地面支持设备（GSE）。电气GSE将具有模拟LEU的作用，同时获取记录激光性能所需的所有数据。在环境试验各阶段之前和之后，将在此配置中运行综合性能测试。 光学GSE见图7。

GEDI激光装置将在GEDI结构/机械载荷文件中列出振动试验。 激光器将在X，Y和Z轴上进行无功率测试。 激光器将在振动运行之间进行性能测试，主要寻求激光束质量的任何变化以及对准孔视线上的任何运动。

ETU和交付的飞行单位将按照GEDI Thermal Interface Control文件中的说明进行TVAC。 此时，每个飞行激光将经历8个生存周期。 生存温度范围为50至-10℃。 在每个周期中，激光器将在工作温度范围内暂停，以检查激光器性能。 TVAC测试也将作为加压腔设计的另一个确认。

一旦环境测试完成，ETU将在飞行单位交付之前开始寿命测试。 在测试监控期间，激光器的要求将不断进行监控，并与其他硬件（如BDU）进行工程单元接口测试。 飞行单位将直接交付与GEDI仪器集成，然后根据需要来支持仪器的性能和环境适应能力。

图7 光学GSE将用于

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