脉冲串皮秒激光技术及其空间碎片激光测距_龙明亮.pdf

第37卷第6期2022年12月光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGYAPPLICATIONVol.37，No.6December，2022收稿日期：2021-08-11基金项目：国家自然科学基金（12003056，11903066）；上海市自然科学基金面上项目（20ZR1467500）空间碎片是指除正常工作的航天器外所有在轨的人造物体，其包括完成任务的火箭箭体、卫星本体、火箭的喷射物、在航天任务过程中的抛弃物和由空间物体之间碰撞产生的碎片等，空间碎片也被称为“太空垃圾”。随着航天事业的不断发展，越来越多的失效且不可回收的人造卫星、火箭体、航天器被遗留在太空中，使得空间碎片数量快速增长1-5。欧洲航天局对空间碎片与航天器的碰 激光技术 脉冲串皮秒激光技术及其空间碎片激光测距龙明亮1*，邓华荣1，张海峰1,2，吴志波1,2，张忠萍1,2,3，陈檬4，等5（1.中国科学院上海天文台，上海；2.中国科学院卫星与碎片观测重点实验室，南京；3.华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海；4.北京工业大学激光工程研究院，北京；5.中国科学院新疆天文台，乌鲁木齐）摘要：空间碎片严重威胁在轨运行航天器的安全，并且对有限的轨道资源造成严重浪费。利用皮秒激光探测是高精度空间碎片激光测距的发展趋势。但是单脉冲运转的皮秒激光器峰值功率较高，易损坏光学器件，其能量与功率进一步提升难度较大。当皮秒激光以脉冲串方式运转时，可将脉冲能量分散到每个脉冲上时，不仅可以降低各单脉冲能量、避免器件损坏，也使得进一步提高皮秒激光输出功率成为可能。因此，脉冲串皮秒激光器对空间碎片的探测起到了重要推动作用，近几年得到了广泛关注。对脉冲串产生方法及激光进行概述，为从事超快皮秒激光研究人员及超快皮秒激光的应用提供技术参考。关键词：脉冲串；皮秒激光；空间碎片；激光测距中图分类号：TN247文献标识码：A文章编号：1673-1255（2022）-06-0045-08Pulse Burst Picosecond Laser Technique and Applicationin Space Debris RangingLONG Mingliang1*,DENG Huarong1,ZHANG Haifeng1,2,WU Zhibo1,2,ZHANG Zhongping1,2,3,CHEN Meng4,et al5(1.Shanghai Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Shanghai,China;2.Key Laboratory of Space Object and Debris Observation,Chinese Academy of Sciences,Nanjing,China;3.State Key Laboratory of Precision Spectroscopy,East China Normal University,Shanghai,China;4.Institute of Laser Engineering,Beijing University of Technology,Beijing,China;5.Xinjiang Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Urumqi,China)Abstract:The existence of space debris seriously threatens the safety of spacecraft in orbit and causes a serious waste of limited orbital resources.Picosecond laser detection is the development trend of high-precision spacedebris laser ranging.However,the high peak power of a picosecond laser in single-pulse operation can easily damage optical devices,and it is difficult to further improve its energy and power.When operating in pulse burst mode,the high energy is dispersed to each pulse,which not only reduces the energy of every single pulse and avoids device damage,but also makes it possible to further improve the output power.Therefore,the pulse burst picosecondlaser has played an important role in the detection of space debris,and has attracted extensive attention in recentyears.Pulse bursts generation method and laser are summarized,which provides technical references for researchers engaged in ultrafast picosecond laser and the application of ultrafast picosecond laser.Key words:pulse burst;picosecond laser;space debris;laser ranging光电技术应用第37卷撞预警年均在50次以上，2018年启动紧急避让措施达到22次。因此，加强对空间碎片的高精度监测与预警，可为航天器正常在轨运行保驾护航。近些年来，谷歌、Facebook等互联网巨头在卫星通信领域摩拳擦掌，OneWeb星座、SpaceX、Telesat、鸿雁等卫星星座计划层出不穷，这直接导致将有成千上万颗卫星进入地球轨道，从而对地球轨道资源造成巨大冲击。在2019年，欧洲航天局发现其所管理的“风神”（Aeolus）地球气象观测卫星与美国SpaceX公司的“星链44”（Starlink）卫星存在相撞的风险，碰撞机率为千分之一。欧洲航天局的科学家对“风神”卫星采取了利用推进器提升卫星轨道高度的避让措施，最终避免了这一潜在的卫星撞击事件。“轨道革命”的到来是突然的，加强空间碎片的高精度监测与预警可为即将到来的“轨道革命”做好技术准备，以求未来站在“轨道革命”的前列。有关空间碎片的问题已引起世界各国的高度重视，不仅科学家们正在积极进行研究，政府部门和国际组织也在努力开展相关工作。随着我国航天的快速发展，空间碎片已成为影响我国航天安全的重要因素。为保证发射升空后航天器的安全，需要对空间碎片轨道进行精密测量。激光具有波长短、发散角小、方向性好、单色性好、抗干扰强等优点，使其受大气传播延时影响小，适合对远距离的目标进行高精度测量5-8，能显著提升对空间碎片轨道的测定精度，并且获得空间碎片的姿态信息9-10，对增强航天器碰撞的预警能力具有重要作用，在欧美、俄罗斯等各发达国家竞相发展。为实现更高精度的测距精度，对激光信号的脉宽与能量提出了更进一步的需求。上海天文台首次实现了532 nm皮秒激光对空间碎片的激光测距，测距精度可达到亚分米级11。大能量皮秒激光是高精度空间碎片激光测距的发展趋势。在多脉冲探测中，脉冲总的探测概率为各脉冲概率之和12，即相同条件下探测成功率受脉冲串内的总能量影响较大。相比单脉冲皮秒激光，通过脉冲串内的多脉冲形式，可进一步提高激光输出能力，增大激光输出的总能量，提高测距探测能力。皮秒激光放大过程中，由于激光脉宽窄，峰值功率过高，易造成光学器件的损伤以及增益提取小等问题，增大了对皮秒脉冲放大的难度，大能量高功率的皮秒激光不易获得。而若采用脉冲串方式，能量会集中在较近的包络里，总能量分散到脉冲串包络内的每个脉冲上，可有效降低脉冲串内各脉冲的能量，避免器件的损坏，从而提高激光输出功率。相对单个脉冲皮秒激光，以脉冲串的输出方式会更容易实现高功率输出。1常见脉冲串产生方法脉冲串激光由于其优良的特性，早在1978年就被人们发现并应用，脉冲串的产生通常采用空间光程差、光开关器件等几种方法实现。（1）空间光程差脉冲分束光在不同的空间尺寸中，行进所需时间不同。通过改变各个光脉冲传播的空间距离，从而获得光脉冲之间的光程差，进而获得脉冲串。美国CRAIG W13等人采用此方法将单个脉冲分束为16个脉冲。由于光的速度比较快，脉冲数越多所占空间几何尺寸越大，从而各分束镜与合束镜之间易产生低幅值的振荡激光小脉冲。（2）光开关器件通过光开关器件（如电光器件、声光器件等）从高重复频率的脉冲序列中选择一段脉冲形成脉冲包络，通过这种方式也可获得一组脉冲串。如图1所示。德国凯撒斯劳滕大学 ACHIM N14等人采用电光开关选择超短脉冲列，通过控制电光开关的高压信号选择脉冲串内脉冲根数（2、10、20），最终实现脉冲串输出。因受光开关关断响应时间的限制，脉冲串内脉冲间距一般大于纳秒（ns）。AAAABBHVHVLASERLASERTIMEABExtemal gate triggerAppr 0.4 sDelay Group B maxDelay Group BTimeNB（0.1，2.）E.g.2 pulsesin Group BNA（1.2,.）E.g.3 pulsesin Group A20 ns(50 MHz)Delay Group A（0.1 s Delay Group B-40 ns）0.1 s+Sync A100+（0-20）nsStart 1-Sync BStart 21/Rep Rate of Sequence（A+B）（a）高压调制选择脉冲过程（i）（ii）（iii）46第6期另一种获得方式为采用光开关，通过信号控制直接从连续激光器中斩获脉冲串。美国俄亥俄州立大学BRIAN T15等人采用此方法获得了脉冲串，并应用于高速成像过程，但通过这种光开关方式获得的脉冲串脉冲间距及脉宽也比较宽。（3）腔匹配，获得多脉冲的输出在再生放大过程中，当再生腔长度是锁模种子光对应的谐振腔长的整数倍（N倍）时，允许的锁模脉冲种子光就会有N个脉冲在谐振腔内同时振荡放大，再生输出时，即可获得多个脉冲的脉冲串输出16。受再生放大增益的影响，输出脉冲串内脉冲幅值递减，各脉冲的幅值不可调节，同时受锁模重复频率的影响，脉冲之间间距较长。（4）晶体双折射引起脉冲分离在双折射晶体中，入射光入射晶体后分成o光与e光，两种光在晶体中的折射率不一样，在同样的晶体中两光束所走的光程不同，从而在时序上分开，实现多个脉冲的产生17。双折射的两种光折射率相差一般不是很大，产生的多个脉冲间距比较小，在皮秒（ps）量级左右，常用应用在飞秒窄间距脉冲串的获得中。以上是脉冲激光中比较常见的几种脉冲串生成方法，同时随着电子电路技术的发展，也可直接通过对LD泵浦电流的调制获得各个脉冲之间时间间隔为微秒级别或者更宽的脉冲串。表1展示了上述几种方法的特点。从表1中可以看出，几种方法在不同的脉冲间距领域有着各自的优缺点。对于脉冲间距为比较宽的纳秒、微秒，可采用比较容易控制的光开关器件或者直接进行泵浦电调制的方法获得脉冲串。而对于飞秒、皮秒量级的脉冲间距，采用晶体双折射比较方便。对于纳秒及亚纳秒脉冲间距采用光程差分束比较简单。而腔匹配，获得脉冲之间脉冲间距受腔内Q开关控制，所调节范围相对较窄，优势不是很明显。文中在研究过程中，结合以上几种方法，提出了一种基于改进型迈克逊干涉仪分束的脉冲光程差