无锡亮源激光基于多年的研发基础，成功研发出能量达到80mJ、重复频率为20 Hz人眼安全1.57μm波长的体积小、重量轻的小型化脉冲激光器。该研究成果是通过增加KTP-OPO的转化效率，以及优化用于泵浦激光二极管（LD）模块输出来实现。经测试，该激光器满足在﹣45℃～+65℃宽工作温度条件下性能优异，达到了国内先进水平。 脉冲激光测距机是利用射向目标的激光脉冲测量目标距离的一种距离测量仪，具有测距精 度高、抗干扰能力强、结构紧凑等优点，广泛应用于工程测量、航空航天、光电侦察等特种领域。在远距离激光测距的应用中，脉冲激光测距法是应用最广泛的。在这种远距离激光测距仪中，激光器通常选择大能量、小束散角高性能固态激光器，使用Q开关技术输出纳秒激光脉冲。脉冲激光测距机有关的发展趋势如下： (1)人眼安全激光测距机。1.57μm光学参量振荡器(optical parametric oscillator，OPO)激光测距机将在大部分领域逐渐取代传统的1.06μm波长激光测距机； (2)体积小、重量轻的小型化远程激光测距机。 随着探测、成像系统性能的提升，要求能测 20km 以上0.1平方米小目标的远程激光测距机。因此研究激光测距机的高性能激光器显得迫在眉睫。 近年来，江苏亮点光电技术有限公司更是致力于人眼安全1.57μm波长的大能量、小束散角高性能固态激光器研发、设计、生产和销售。 近期，亮源激光根据小型化远程激光测距机研发中的实际需求，设计了一种人眼安全1.57μm高峰值功率、小束散紧凑型风冷激光器。经测试，该激光器满足在﹣40℃～+65℃宽工作温度条件下，其性能优异、环境适应性强，满足复杂环境下的使用要求，有着广阔的应用前景。 通过下式可看出，在其它参量不变情况下，提高激光输出峰值功率、减小激光发射束散角即可提高测距机的测程。所以高峰值功率、小束散紧凑型风冷激光器是提高激光测距机测距能力的关键环节。 （式中，Prec为最小可探测功率；Pout为激光输出峰值功率；D为接收光学系统口径；t为接收光学系统透过率；θ为激光发射束散角；r为目标反射率；A为目标等效截面积；R为最大测程；σ 为大气吸收系数。） 实现人眼安全波长激光输出的关键部件是光学参量振荡器(optical parametric oscillator，OPO)技术，包括非线性晶体选择、相位匹配方式和OPO腔结构设计三方面。非线性晶体的选择依据是具有大的非线性系数、抗损伤阈值高、物化性能稳定和生长技术成熟等；相位匹配方式应优先。选择具有大的接受角和小走离角的非临界相位匹配方式；OPO腔结构在保证可靠性的基础上应兼顾效率和光束质量。KTP-OPO输出波长随位相匹配角的变化曲线，当度时，信号光恰好能输出的人眼安全激光。因此，所设计的晶体沿一面切割，采用的角度匹配，即采用类匹配法，此时晶体有效非线性系数最大且无走离效应。 在综合考虑上述问题的基础上，结合国内目前激光技术和器件的发展水平，优化技术方案是： OPO 采用Ⅱ类非临界相位匹配外腔式双腔 KTP-OPO设计；2块KTP-OPO采用串联结构垂直入射，以提高转换效率和激光器可靠性如下图1所示： 图1 2块KTP晶体串联 泵浦源为传导冷却的自主研发的半导体激光器阵列，最大占空比2%，单个Bar条峰值功率100W，总功率12000W。直角棱镜、平面全反镜和偏振片构成折叠式偏振耦合输出谐振腔，通过直角棱镜和波片的旋转以获得所需要的1064nm激光耦合输出。调Q方式为基于KDP晶体的加压式主动电光调Q。 下图是自研的弧形阵列巴条模块，中间放置的是YAG晶体棒作为激光介质，掺杂浓度1%。为了解决侧面激光器移动与激光输出对称性分布的矛盾，采用了LD阵列120度角的对称分布。泵浦源为1064nm波长，两个6000W的弧形阵列巴条模块串联半导体串联泵浦。输出能量0-250mJ，脉宽10ns左右，重频20Hz。采用的是折叠腔，经过串联KTP非线性晶体后，输出1.57μm波长激光。 图2自主研发的弧形阵列巴条模块，中间是YAG晶体棒 下图3是1.57μm大功率激光器样尺寸图，长182mm，宽100mm，高64mm，重量为1.2kg。图4是1.57μm大功率激光器样机实物照片。 图3 1.57μm波长脉冲激光器尺寸图 图4 1.57μm波长脉冲激光器样机 采用激光能量计分别测量了激光器两种波长的输出能量，测试所获得的能量值为20Hz工作频率下，工作时间1min内的平均值，如下图所示。其中，所示的1.57μm波长激光输出能量随1064nm波长泵浦能量的变化关系。当泵浦能量为220mJ时，1.57μm波长激光输出能量可达到80mJ，转化效率达到35%。由于OPO信号光是在一定功率密度的基频光作用下产生的，故其阈值高于1064nm基频光的阈值，泵浦能量超过OPO阈值后，其输出能量迅速增加。所示为的OPO 输出能量及效率随基频光输出能量的变化关系，从图中可以看出，该OPO 的转换效率最高可达35%。 图5 1.57μm能量输出 图6 1064泵浦源转化效率 最后，可以实现能量大于80mJ的1.57μm波长激光脉冲输出，激光脉冲宽度为8.5ns。通过激光束扩展器输出激光束的发散角0.3mrad。通过模拟计算和分析表明，使用该激光器的脉冲激光测距仪的测距能力可以超过30公里。人眼安全激光测距仪模块应用于下面系统集成： 1)光电监视和侦察。 2)目标跟踪系统。 3)陆地，空中和海上目标跟踪系统。 4)测量飞机的飞机高度。 5)测量船舶离海岸的距离。 6)应用于确定移动目标的位置。 波 长 1570±5nm 重复频率 20Hz 激光束散角（扩束） 0.3-0.6mrad 脉 宽 8.5ns 脉冲能量 80mJ 连续工作时长 5min 重 量 ≤1.2kg 工作温度 -40℃~65℃ 存储温度 -50℃~65℃ 表1 1.57μm波长脉冲激光器主要参数 
发布日期: 2023/5/6 20:45:35