空间应用高光束质量小型化被动调Q激光器

为了实现航天应用的特定需求，对空间激光器的激光单脉冲能量、脉冲宽度、光束质量等都有严格的技术指标要求。研究并设计了一种适用于空间的小型化高光束质量被动调Q激光器，实现了工程样机。样机输出激光脉冲宽度约为5 ns，峰值功率可达兆瓦，激光光束质量因子M²=1.01，单脉冲能量稳定性均方根(Root Mean Square， RMS)为1.53%。激光头体积为0.469 L，质量为0.52 kg，激光器样机实现了结构小型化。     

全固态高重频电光调Q 激光器研究进展

全固态高重频电光调Q激光器因具有高重频、窄脉宽、大能量的优势而广泛应用于激光雷达、激光测距、激光精密加工和光通信等诸多领域。介绍电光调Q元件的发展和增益介质的完善对提高激光器重复频率的影响,短腔法和腔倒空技术的应用对压窄激光器脉冲宽度的作用,双棒串接技术和主振荡功率放大技术的运用对增大激光器单脉冲能量的效果。对全固态电光调Q激光器的主要研究方向和关键技术进行总结,综述全固态电光调Q激光器在提高重复频率、压窄脉冲宽度和增大单脉冲能量三方面的研究进展。     

高分七号卫星激光测高仪热设计及验证

针对高分七号(GF-7)卫星激光测高仪的热设计任务需求,采用被动热控和基于环路热管的毛细泵驱流体回路技术,解决了光机结构高精度控温以及后光路组件热量收集、传输和排散的难题。在轨飞行数据表明:激光测高仪热控系统为光机系统成像和激光器工作提供了良好的温度条件;基于环路热管的毛细泵驱流体回路,实现了头部电子设备、4台激光器、后光路电子设备等多点热源热量收集、传输以及高精度控温。     

高分七号卫星激光测高仪总体设计与在轨验证

高分七号卫星搭载了我国首台全波形体制激光测高仪,它具有测距精度高、指向稳定和长寿命的特点,在少量或无地面控制点情况下,以激光足印为高程控制点,与测绘相机数据联合平差,可实现1∶10 000比例尺地图对平面误差和高程精度的要求。文章论述了高分七号卫星激光测高仪的总体设计思路,并给出了高速采样全波形测距、基于足印相机的激光指向测量、长寿命固态激光器的设计方案和地面验证结果。激光测高仪发射入轨以后,对激光测距精度、激光指向测量精度、激光出光次数和能量遥测进行了统计和分析,结果表明:激光测高仪状态良好,测距精度优于0.3 m,满足设计指标要求。     

高效率基模模式匹配侧面泵浦结构设计与试验研究

在星载传导冷却侧面泵浦棒状固体激光器中,由于激光晶体的侧面需考虑传导散热,不能被均匀泵浦,因此,存在基模模式匹配程度不佳、吸收效率不高的问题,从而影响了光束质量的提高。为了实现高光束质量激光输出,设计了基于光锥多次反射整形的三向泵浦结构,综合考虑基模高斯模式匹配程度与吸收效率,提出了泵浦质量(quality,以下同)因子概念,对不同泵浦结构参数下的泵浦质量进行了量化评价;进而对泵浦结构参数进行了优化,实现了增益介质内泵浦光切向分布的匀化、径向分布与基模高斯线型的匹配,以及增益介质对泵浦光的高效率吸收;通过试验测定了荧光分布,并与仿真结果进行了量化比对;在此基础上,搭建了激光器的试验样机,得到了光束质量较为优异的激光输出,证明了该泵浦结构对光束质量具有较好的改善作用。     

应用激光测高仪提高测绘卫星定位精度的研究

双线阵立体测绘卫星定位对外方位元素的测量精度要求高,然而布设控制点成本高,缺少全世界范围内的控制点。针对这一问题,提出应用星载激光测高仪提高定位精度的方法。首先,分析了双线阵立体测绘卫星和激光测高仪的误差特性,即测绘相机定位精度受外方位角元素影响比较大,激光测高仪高程精度受角元素影响相对较小。然后,论证了用激光测高仪提高定位精度的可行性。在相同的卫星平台定向辅助数据下,激光测高仪高程精度要比测绘相机高得多,可以作为高程约束提高定位精度。最后,应用光束法平差原理对激光测高数据作为高程约束进行了仿真试验。结果表明,加入激光测高数据可将双线阵立体测绘卫星的高程精度由8.0m提高到约3.5m。此方法可为实现全球无控制点测绘提供一定参考。     

半导体激光准直仪设计

根据KM6太阳模拟器光学装校系统的技术要求,文章提出了半导体激光器输出光束的两套准直方案.分别介绍了这两套技术方案的原理,并进行了比较,决定采用在激光器前加前准直光学系统的方案.介绍了准直光学系统的设计,并对所设计的光学镜头进行了像质分析;设计了与光学系统相配套的机械结构,给出了激光光束的准直性分析.结果表明:自行设计的半导体激光准直仪,技术指标明显优于市场上可提供的光束发散角为5～8 mrad的半导体激光准直仪.为KM6太阳模拟器光学系统装校工作顺利进行提供了保证.     

大功率激光能量传输多光束协同捕获瞄准与跟踪技术研究

以用于空间太阳能电站的远距离、大功率激光无线能量传输为研究背景,以提高系统能量传输效率为宗旨,针对多光束传输的激光无线能量传输系统协同捕获、瞄准与跟踪(APT)方法进行研究。首先通过对大功率激光无线能量传输系统的分析,获知了单光束激光无线能量传输系统的局限性,然后针对大功率、多光束激光无线能量传输系统的协同APT系统组成,分析了单终端多光束系统和多终端多光束系统的实现方法及构成,最后针对单光束、7光束和9光束发射系统的目标重构光斑进行仿真,仿真结果表明,通过精确的多光束协同APT系统可以实现光束重构,重构后的能量光斑能量密度和分布都能得到改善。文章的研究成果将为建造用于空间太阳能电站的大功率、远距离激光能量传输系统提供技术储备和理论依据。     

激光驱动飞片系统模拟空间碎片超高速撞击

文章介绍了北京卫星环境工程研究所采用激光驱动飞片系统将厚度5μm的铝质飞片发射到8.3 km/s.该驱动系统采用调Q钕玻璃激光,脉宽15 ns,最大能量达到20 J.针对热控材料、舷窗玻璃及OSR等外部表面功能材料开展了超高速撞击实验研究,取得初步研究结果.实验结果表明激光驱动飞片技术可很好地用于模拟微流星/空间碎片超高速撞击效应研究.     

纳秒级大功率脉冲激光二极管驱动设计

脉冲式激光雷达探测性能与激光光源发出的光脉冲有关,而 LD 驱动电路性能好坏直接决定了光脉冲的优劣.基于激光测距仪系统要求,文章选用超快速场效应管作为开关器件,建立驱动电路模型,对驱动电路设计与分析,经过多次试验,成功设计出最小脉宽为5．6ns,上升沿为2．2ns,峰值电流可达12A的脉冲电路.其中脉宽脉宽为16ns,上升沿为3ns,重频达到50KHz,驱动 LD峰值功率将近60W,成功用于激光雷达强激光光源发射部分.同时分析了影响电路的主要因素.     

高重频激光器在光电对抗中的作用

介绍了高重频脉冲激光器在光电对抗中的作用,分别讨论了高重频脉冲激光对激光测距机和半主动激光制导武器实施干扰时对脉冲重复频率和峰值功率的要求,以及高重频脉冲激光对光电探测器件及光学薄膜的损伤。     

宽调谐外腔式1.53μm近红外半导体激光器研究

采用闪耀光栅作为模式选择元件研制1.53μm外腔式半导体激光器,研究光栅衍射角、温度、电流对激光器输出特性的影响和P-I特性。利用单角度面SAF(Single-Angle-Facet)型芯片、改进型Littrow外腔结构实现了激光器宽调谐、单纵模激光输出,连续运转模式下最大调谐范围132nm(479cm~(–1)),最高输出功率60m W;脉冲运转模式下(占空比50%)最大调谐范围126nm(533cm~(–1)),最高输出功率26.8m W;连续模式下获得最窄线宽25pm。     

Ku波段低噪声放大器的设计

设计一款Ku波段低噪声放大器,放大器采用两级PHEMT晶体管(VMMK1225)级联结构,单电源供电模式。应用微波仿真软件ADS对匹配电路进行优化设计,在11.7GHz～12.5GHz的工作频段内放大器噪声系数小于0.23 dB,带内增益大于31dB,输入、输出驻波比小于1.6。仿真结果表明,设计完全满足性能指标要求。     

基于FFT算法的激光有源非稳腔光场分布数值计算方法

在激光器应用中,激光发散角是重要的技术指标,可由光场分布得出。非稳腔由于易于实现高光束质量输出的优势,是激光器的常用腔型。为了快速获得有源非稳腔激光器的光场分布,提高激光器设计仿真效率,在参考了现有激光器谐振腔数值算法的基础上,建立了一种基于快速傅里叶变换算法的有源谐振腔光场分布计算模型;基于该模型,开展了有源非稳腔的谐振腔特性研究,重点分析了小信号增益分布、输出镜反射率分布及谐振腔的腔镜失谐等因素对激光器光场分布的影响,并量化分析了上述参数对激光器发散角的影响;同时,通过搭建激光器样机,获得了激光输出光斑分布、失谐发散角参数等试验结果,并与光场分布计算模型的计算结果进行了对比分析,认为两者的光斑分布及发散角随腔镜失谐角度变化的趋势大致相同,验证了光场分布计算模型的正确性。因而,在有源谐振腔设计中,应用文章中建立的计算模型,可以对激光器的泵浦设计、腔镜参数选择等提供直观、量化的参考。     

天基激光驱动空间碎片降轨效果仿真研究

在当前天基激光移除碎片方案设计中,通常采用k J级高能激光器、100 m/s大速度增量和简单降轨模型计算移除系统参数,然而k J级天基高能激光器尚未实现。文章基于目前实验室现有的J级激光器水平,参考现阶段碎片移除方案,针对特定区域的目标空间碎片,结合碎片轨道特性信息建立降轨模型,仿真研究目标碎片在低能量天基激光驱动下的运动过程和降轨效果,分析了影响目标碎片降轨效果的因素。对部署在500 km轨道高度的天基平台移除附近碎片的仿真结果表明,速度增量和降轨高度的变化具有累积效应,提高频率、增大有效作用距离等可延长激光烧蚀驱动时间,进而增强碎片降轨效果。分析表明,J级小能量激光器通过长时间的烧蚀,也可有效驱动和移除1~10 cm碎片。     

激光焊接技术的特点及其应用

激光焊接是激光加工技术发展较快的领域之一。激光焊接要求的幅射强度为10~5～10~7w/cm~2。激光精密焊接属于熔化焊接方法。激光焊接按激光器的运转方式,可分为脉冲激光焊接和连续激光焊接两大类。大功率激光焊接属于连续激光焊接。     

高分七号卫星激光测高仪分系统关键技术设计与实现

针对1∶10 000比例尺立体测绘对高程控制点的需求,高分七号激光测高仪分系统在传统激光脉冲式距离测量技术的基础上,通过可见光光学被动成像与激光接收光学复合设计方案,同时获取激光足印在地物影像上的二维方位信息和大足印内的多回波波形,并对激光指向在轨监测关键技术进行了设计实现。关键技术仿真及试验结果表明:激光足印平面定位精度可达到5μrad,对强度变化33 dB内的回波测距均值最大变化3.3 cm。在轨监测数据表明:激光发射光轴稳定性优于0.5μrad,无云区域回波探测概率达到100%。测量获取的具备5μrad平面精度、1 m高程精度的激光落点可为1∶10 000比例尺测绘提供高质量的控制点信息。     

一种超宽带脉冲信号发生器的设计

介绍超宽带(UWB)技术,利用阶越恢复二极管(SRD)产生超宽带窄脉冲信号的微带结构电路,获得了纳秒级的超短、快速前沿的1ns单极性UWB脉冲。分析讨论电路原理与设计方法,实测结果显示该电路产生的脉冲信号具有良好的波形,并且脉冲拖尾的震荡起伏很小,适用于超宽带无线通信的窄脉冲信号形成电路。     

1Cr18Ni9Ti脉冲激光焊接工艺研究

介绍了采用YAG脉冲激光器焊接不锈钢1Cr18Ni9Ti的工艺过程,通过调整离焦量、焊点重叠率、峰值功率和脉冲宽度进行试件焊接,并对焊缝熔深进行检测。试验结果表明:离焦量对焊缝熔深影响较大,负离焦量时可以获得较大的焊缝熔深;峰值功率对焊缝熔深影响最大,但峰值功率过大易出现焊接飞溅;焊点重叠率与焊缝熔深有效性密切相关,对产品密封性能影响大;脉冲宽度对焊缝熔深影响较小,对焊缝表面成形状态影响较大。针对推进系统中阀门壳体激光焊缝熔深要求,优化了工艺参数。采用上述工艺规范焊接的阀门产品已经过飞行考核。     

激光驱动接力移除空间碎片的小卫星星座及可行性研究

在众多空间碎片移除技术中，天基激光烧蚀驱动是一种高效的、有广阔应用前景的移除技术，特别是针对移除海量的、尺寸在1~10 cm的危险碎片而言，更是具有独特优势。然而，这一技术对高能激光器单脉冲能量、光束质量、发射镜口径等要求很高，目前的硬件水平还达不到实用指标要求，制约了其天基应用。为了克服这些硬件技术障碍，本文另辟蹊径，利用小卫星概念，提出了由不同轨道高度小卫星平台组成小卫星星座，通过在每个小卫星平台上的激光驱动接力来逐步降低碎片轨道高度，最终达到移除空间碎片的小卫星接力移除星座的构想。基于现有的激光器性能参数，根据激光烧蚀驱动碎片动力学模型计算了单个卫星平台的移除能力，结果显示，10 J单脉冲能量激光器和0.5 m直径发射镜，能够对20 km范围内、尺寸小于10 cm碎片进行有效驱动。进而，针对空间碎片密集度高而应用最广的800 km轨道高度区域，设计了由分布在不同轨道高度的30颗小卫星组成接力驱动移除星座系统方案，通过仿真模拟计算验证了星座系统的移除碎片的可行性。该研究利用目前热门的小卫星星座，降低了天基激光移除空间碎片技术对硬件的性能要求，为该技术的应用提供了新的思路和途径，所提出的小卫星接力驱动星座系统方案也有工程参考价值。