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空間應用的紫外激光器壽命論證

星之球科技 來源:中國科學院2015-11-17 我要評論(0 )   

Fibertek公司的Michael Albert等人在Lidar Remote Sensing for Environmental Monitoring XV發表文章論證空間應用的UV激光器壽命,摘譯如下:15W、50~200Hz紫外激光器...


Fibertek公司的Michael Albert等人在Lidar Remote Sensing for Environmental Monitoring XV發表文章論證空間應用的UV激光器壽命,摘譯如下:15W、50~200Hz紫外激光器的使用壽命超過10億(yi) 射,成為(wei) 許多潛在空基激光雷達任務的可行性技術,這些任務,以NASA資助機載激光雷達係統為(wei) 例,列表如下:
1、 氣溶膠/雲(yun) 團/生態係統(ACE):這個(ge) 任務將是非常成功的CALIPSO雲(yun) 和氣溶膠激光雷達的後續擴大任務。在NASA 蘭(lan) 利和 NASA 戈達德空間飛行中心的研究人員已經開發出三種波長(1064nm、532nm和355nm)高光譜分辨率激光雷達(HSRL)係統作為(wei) ACE任務的候選技術。這種空基版本激光雷達的355nm通道需要從(cong) 幾到幾百mJ/脈衝(chong) ,重複頻率範圍50-150Hz。
2、 3D風:全球覆蓋的對流層風團的空基測量已被確認是天氣和氣候建模的關(guan) 鍵任務。NASA資助的測量風的潛在候選任務至少有兩(liang) 種雷達技術能夠清晰空氣測量。一種是工作在355nm波長直接探測風的激光雷達,如建造在戈達德空間飛行中心的對流層風激光雷達技術實驗(TWiLiTE)。TWiLiTE係統的擴大版用於(yu) 滿足3D風速任務要求。第二種是鮑爾宇航正在開發的NASA資助的光學自協方差風激光雷達(OAWL)係統,該係統工作在355nm波長。這兩(liang) 種激光雷達技術使用的激光器是每脈衝(chong) 能量100-500 mJ、重複頻率在50-200 Hz範圍。
3、 全球大氣成分任務(GACM):臭氧DIAL係統可能是這一任務的重要器件。正在NASA 蘭(lan) 利開發的NASA資助的全球臭氧雷達演示(GOLD)的擴大版是GACM任務要求全球臭氧測量的強有力競爭(zheng) 者。空基版GOLD所需的關(guan) 鍵技術是高能量355nm泵浦激光器將波長上轉換為(wei) 波長300-320nm範圍內(nei) 用於(yu) 臭氧測量。
顯然驗證100-500mJ的UV激光器壽命對於(yu) 推進那些需要激光器的航天任務是很有必要的,另外一個(ge) 關(guan) 鍵TRL-6要素是相關(guan) 環境下熱/真空測試和振動測試。我們(men) 正在開發用於(yu) 壽命測試的激光器模塊,從(cong) 而滿足太空飛行任務的振動和真空操作要求,我們(men) 利用了以前第二階段SBIRs開發的關(guan) 鍵光機械設計特征以及ICESat-2激光發射器作為(wei) 基礎提出的紫外線壽命演示(UVLD)來實現這一點。
激光器模塊設計
激光器設計方案原本是工作在50Hz的15W紫外激光器。作為(wei) 項目的一部分,我們(men) 會(hui) 定期和ESTO讚助商和其他雷達係統相關(guan) 開發人員溝通審核,根據他們(men) 提供的激光器輸入數據我們(men) 最終改變設計為(wei) 1064nm泵浦激光器,工作頻率150Hz,同時仍保持40W的平均功率輸出。在355nm的UV平均功率最終目標仍然是15W。
表1  UV壽命驗證實驗的最終性能目標

  硬件組裝和檢測狀態
截至2015年夏初,激光器運行所需的電子設備已經完成,末級功率放大器完成光學模塊組裝,第二放大器完成全麵測試和表征。振蕩器和前兩(liang) 級放大器的性能滿足設計目標,圖所示激光器模塊兩(liang) 個(ge) 隔間的組裝狀態。

  圖1  環形振蕩器、放大器1和放大器2的劃分圖
壽命測試和環境測試
對激光器壽命測試順序包括以下四個(ge) 步驟:
1、 更小尺寸(6mm x 6 mm x 25 mm與(yu) 最終UVLD尺寸12mm x 12mm x 25 mm)LBO三倍器的高重複頻率、低脈衝(chong) 能量(20kHz,紫外光~ 6W)測試,LBO和大型晶體(ti) 來自同一供應商,測試用泵浦源是ICESat-2任務中用於(yu) 測試壽命的ICESat-2激光器的實驗版本。輸出紫外光的譜峰強度與(yu) UVLD類似,但光斑尺寸會(hui) 小很多。測試的目的是作為(wei) LBO三倍塗層的初步甄選並作為(wei) UV模塊清潔工藝的初步驗證。測試時間預計為(wei) 期一個(ge) 月,相當於(yu) 500億(yi) 射。
2、 UVLD激光器的4個(ge) 月、532nm合適的壽命測試來評估532nm壽命,測試的目的是核實LBO倍增塗層和1064nm激光發射器的清潔度,還對隻使用1064nm和532nm輸出的激光器有興(xing) 趣。
3、 用於(yu) 初始UV壽命評估的激光發射器的4月、半功率355nm壽命測試,這一測試提供了LBO三倍塗層的初始低功率驗證以及UV模塊的清潔工藝。還會(hui) 對一係列測試中出現的任何長期衰減的強度依賴性提供一些見解。
4、 最終UV壽命評估測試的全UVLD激光發射器的4個(ge) 月、全功率355nm壽命測試。這一測試不為(wei) 整整三年任務提供方法測試,但是會(hui) 提供可能發生的任何UV衰減的趨勢數據。

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