第38卷第3期红外与激光工程2009年6月Vol.38No.3Infrared and Laser Engineering Jun.2009星载全固态激光器的实验研究毕进子，马秀华，陈卫标(中国科学院上海光学精密机械研究所，上海201800)摘要：激光二极管抽运的全固态激光器具有体积小、质量轻、效率高的特点，是目前星载激光雷达系统的主要发射光源。
介绍了一种基于传导冷却的LD阵列侧面抽运Nd:YAG晶体的Zig蛳Zag板条激光器。
板条介质能够消除棒状介质带来的一阶热聚焦和应力退偏效应。
采用55个准连续激光二极管沿板条晶体长度方向均匀排列，通过柱面镜耦合进行均匀抽运。
Nd:YAG晶体的散热是采用与其热膨胀系数匹配的金属热沉由光泵背面将热量传导出去。
LD阵列的散热是通过紫铜热沉传导到底板，再由热管传递出去。
实验中使用平凹激光谐振腔，重复频率20Hz，获得单脉冲能量大于150mJ的激光输出，脉冲宽度10ns左右，光-光转换效率大于15%。
实验表明：该激光器具有在太空中应用的潜力。
关键词：星载激光器；传导冷却；LD侧面抽运；空间激光雷达中图分类号：TN24文献标识码：A文章编号：1007-2276(2009)03-0448-04Experimental study of space蛳borne all蛳solid蛳state laserBI Jin蛳zi，MA Xiu蛳hua，CHEN Wei蛳biao(Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai201800，China)Abstract:Diode蛳pumped solid蛳state lasers are currently main optical source of space蛳based lidar system，because of its small volume,light weight and high efficiency.A conductively cooled diode arrays side蛳pumping Nd:YAG Zig蛳Zag slab laser was introduced.The slab geometry medium could eliminate the first order thermal lensing and depolarization effects of stress of rod geometry medium.55quasi蛳cw diode bars were placed symmetrically along the length direction of slab's crystal,and coupled through a cylindrical lens,uniformly pumping.Thermal conduction of Nd:YAG crystal was done on the reverse pumping face by metal cooling heat sink.The heat dissipation of diodes arrays was conducted to bottom through heat sink,transmitted out by heat pipes.A plane蛳concave rear mirror and a flat output coupler were used as laser resonator.The pulses had been obtained with energy of150mJ,repetition frequency of20Hz,pulse width of10ns.The optical to optical conversion efficiency was more than15%.Experiment results show that this laser is capable of use in space.Key words:Space蛳borne lasers;Conductively cooled;LD side pumping;Space蛳based lidar收稿日期：2008-08-10；修订日期：2008-10-20基金项目：国防科技预研基金项目作者简介：毕进子（1976-），男，山东威海人，助理研究员，主要从事空间激光器和空间光学仪器结构设计与分析等方面的研究。
Email:mnibjz@第3期0引言空间激光技术在未来的地球科学、深空探测、全球预警和监测等方面将起到非常重要的作用。
早在20世纪70年代，美国就开始进行星载激光测距和激光遥感方面的研究，在APPOLLO15、16、17号登月飞船上安装了氙灯泵浦固体激光器的激光测距仪。
进入90年代后，世界各空间强国都在进行星载激光实验研究，包括航天飞机、卫星、着陆器、空间站上的实验，其中以美国最为活跃。
激光二极管抽运的全固态激光器由于效率高、寿命长、体积小、质量轻、功耗低等优点，比其他类型的激光器具有无法比拟的优势，成为目前空间激光雷达系统和高能激光战术武器的主要发射光源。
而这些应用领域对激光器不仅要求高功率，同时还要求较高的光束质量[1-5]。
传统的棒状激光器由于本身结构的限制，在高重复频率的大功率激光二极管泵浦下，会带来严重的热透镜及热致双折射效应，难以获得高平均功率、高光束质量的激光输出。
而且棒状激光介质的传导冷却设计很难实现均匀散热，结构上不可避免地产生机械应力，引起激光器的退偏效应和光束质量的下降。
Zig蛳Zag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，进而提高光束质量和输出功率，在产生高平均功率和高光束质量的激光输出方面具有较大的潜力，并且容易实现均匀的传导冷却[6-8]。
重点介绍了一种基于传导冷却的高效率的LD 阵列侧面抽运Nd:YAG晶体的Zig蛳Zag板条激光器，获得重复频率20Hz，脉冲宽度10ns，单脉冲能量超过150mJ的激光输出，光-光转换效率超过15%。
1激光器结构根据激光器需要较大输出功率的要求，采用侧面抽运的技术方案。
由于太空环境中不可能对激光器进行液体冷却，而在传导冷却方面板条激光器比棒状激光器更有优势，Zig蛳Zag板条具有大的增益长度与抽运长度的比率，可以充分利用沿着抽运面内的泵浦体积，容易获得高效率的激光输出，由于卫星资源有限，这对星载激光器具有非常重要的意义，所以选择LD 阵列侧面抽运锯齿形Nd:YAG板条的方案。
同时“Z 形”光路消除了沿着Zig蛳Zag面内(厚度方向上)的一阶热畸变，并且沿着此面内的侧面抽运，充分利用激光二极管阵列的“多带状”几何结构，使泵浦能量有效地耦合进腔内板条模体积。
抽运头结构如图1所示。
激光二极管阵列由55个准连续激光二极管巴条组成，其快轴方向沿着板条图1二极管抽运头的基本结构Fig.1Structure of laser pumping assembly晶体长度方向均匀排列（间距为1mm），焊接在紫铜热沉上。
激光二极管的额定峰值功率为100W，脉冲宽度为200μs，线宽为3nm，电光转换效率接近50%。
实验中为了延长激光二极管的使用寿命，使用30%的降额，即70W/bar。
Nd:YAG板条介质的几何尺寸为78.8mm×7mm×5mm，板条端面按布儒斯特角切割，Nd离子的掺杂浓度为1%，抽运面镀808nm增透膜和1064nm高反膜，冷却面镀808nm和1064nm的高反膜以及二氧化硅保护膜，这样可以充分吸收抽运光，光线在板条介质内全反射10次。
板条晶体通过导热胶带与热膨胀系数和Nd:YAG接近的钨铜合金粘接在一起，再经过紫铜材料的桥式热沉将热传导到底板上。
在激光二极管阵列与Nd:YAG板条晶体之间采用柱面镜对抽运光进行压缩，形成3.5mm的均匀窄条抽运带。
柱面镜材料使用非掺杂的YAG晶体，由于其具有高的折射率和良好的热性能。
柱面镜将激光二极管阵列同Nd: YAG板条隔离开，使板条免受激光二极管发射激光可能出现的故障的影响。
抽运光耦合系统如图2所示。
图2抽运光耦合系统Fig.2Coupling system of pumping light毕进子等：星载全固态激光器的实验研究449红外与激光工程第38卷激光器整体结构如图3所示。
谐振腔采用平凹稳定腔，腔长40cm，全反腔镜曲率半径4m，耦合输出窗口的透过率为85%。
当激光二极管驱动电流为75A 时，抽运光最大峰值功率3500W。
热管冷端模拟温度定在18℃，热端通过导热胶粘连在底板上。
图3激光器光路原理图Fig.3Schematic of the laser layout2激光器的输出特性图4给出了激光器在空腔情况下，激光二极管脉冲宽度为200μs，重复频率20Hz，耦合输出透过率分别为T=30%、50%、67%和85%时，激光谐振腔平均输出功率与抽运光平均功率的关系，表明：透过率85%的斜效率明显大于其他的透过率。
图4不同透过率的输出功率Fig.4Laser output power at different transmittance使用KD*P晶体进行主动电光调Q实验。
调Q 时耦合输出镜透过率T=85%，在重频20Hz和电流75A时，获得单脉冲能量158mJ的激光输出。
光-光转换效率接近20%，斜效率为36%。
图5给出了激光图5自由运转和调Q状态下激光脉冲能量和抽运功率的关系Fig.5Laser output power versus pumping power in the free蛳running and the Q蛳switching mode 器自由运转和调Q状态下激光输出脉冲能量与抽运功率的关系。
脉冲宽度10ns左右，调Q输出脉冲波形如图6所示。
图6调Q脉冲波形Fig.6Temporal profile of Q蛳switched laser pulse3激光器热焦距测量采用辅助透镜测量法对Nd:YAG板条进行热焦距测量。
一束He蛳Ne激光经扩束后从晶体端面入射到晶体内，在激光二极管抽运下，由于热透镜效应发生会聚，焦点经辅助透镜成像，利用光电探测器确定成像点的位置，根据几何关系和透镜成像公式可得到热焦距。
根据实验结果得到热焦距与抽运光功率之间的关系，如图7所示。
可以看出：垂直于Zig蛳Zag面的热透镜效应较大，在最大抽运功率下约为2m，在Zig蛳Zag面内的热透镜较小，接近10m。