摘 要

随着人类空间技术的发展，空间激光雷达以其独特的探测优势而广泛应用于激光遥感、深空探测和空间技术。随着单光子探测技术的发展，高重复频率、窄脉冲宽度的空间应用激光器成为了新的发展趋势。

本论文主要研究设计了一种适用于空间应用的高重频窄脉宽电光调Q固态激光器。主要内容如下：

（1）通过分析四能级系统的能级速率方程，推导出激光器连续状态下和调Q下的激光输出特性方程，并预估了激光器输出特性。

（2）激光器采用正交双porro棱镜构成谐振腔，激光二极管侧面泵浦Nd:YAG板条晶体，RTP作为电光调Q晶体，采用偏振耦合输出方式。并利用LASCAD固态激光器仿真软件得到激光器的输出曲线。

（3）实验测试得到输出激光的脉冲宽度为1.51 ns，重复频率1 KHz，单脉冲能量1.15 mJ，波长为1064 nm，光束质量因子，。结构设计紧凑、输出稳定，可用于未来的空间探测雷达系统。

关键词：空间全固态激光器；电光调Q开关；Nd:YAG；高重复频率

Abstract

With the development of space technology, space laser radar with its unique detection advantages and widely used in laser remote sensing, deep space exploration and space technology. With the development of single photon detection technology, high repetition frequency, narrow pulse width of the space application of the laser has become a new trend.

This paper mainly studies and designs an electro-optical Q-switched solid-state lasers which have high repetition frequency and narrow pulse-width for space applications. The main contents are as follows:

(1) By analyzing the energy level equation of the four-level system, we can deduce the laser output characteristic equation of the laser under continuous state and Q-switched, and estimate the output characteristic of the laser.

(2) The laser resonator uses quadrature double porro prism, diode side pumped Nd: YAG slab crystal, RTP as electro-optical Q-crystal, using polarization coupling output mode. Moreover, the output curve of the laser is obtained by LASCAD solid state laser simulation software.

(3) The pulse width of the output laser is 1.53 ns, the repetition frequency is 1 KHz, the single pulse energy is 1.15 mJ, the wavelength is 1064 nm, the beam quality factor is ,. This laser with compact structure design and stable output can be used for future space detection radar system.

Key Words：Space all-solid-state lasers；Electro-optical Q switch；Nd:YAG；High repetition frequency

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究进展 1

1.2.1 国外空间应用激光器 2

1.2.2 国内空间应用激光器 8

1.3 本文的研究意义 9

1.4 本文的主要研究内容及章节安排 10

第2章 高重频窄脉宽激光器的理论基础 11

2.1 连续或长脉冲运行时状态分析 11

2.2 调Q状态下运行状态分析 13

2.3 本章小结 15

第3章 高重频窄脉冲激光器设计 16

3.1 激光器的工作物质 16

3.2 激光器的泵浦与冷却方式 17

3.3 调Q技术 19

3.3.1 调Q技术分类 19

3.3.2 调Q晶体选择 21

3.4 Porro棱镜特性 22

3.5 激光器谐振腔的仿真设计 23

3.5.1 LASCAD仿真 23

3.5.2耦合输出谐振腔设计 27

3.6 本章小结 29

第4章 实验测试与结果分析 30

4.1 激光器测试平台搭建 30

4.2 激光器耦合输出率 30

4.3 激光器输出特性 31

第5章 总结与展望 34

5.1 本文总结 34

5.2 展望 34

参考文献 36

致 谢 39

第1章 绪 论

1.1 引言

自激光器问世以来，激光技术便不断地快速发展和创新，成为科技发展的重要分支，极大地促进了传统产业和新型产业的发展。激光以其亮度高、方向性好、单色性好、相干性好等优良特性而广泛应用于科研、国防、工业制造和医疗技术领域，比如激光雷达、激光全息技术、激光加工制造技术、激光医疗与光子生物学等^[1]。

如今，随着空间应用科学的发展，激光技术在外太空的应用也得到了长足的发展和进步。空间应用激光器主要应用于地球科学、空间科学、空间技术等领域。在地球科学应用方面，利用空间激光雷达可获得高垂直分辨力、高精度的地球大气、陆地和海洋的各类要素，为天气预报、大气动力研究、全球气候变化等提供了可靠的数据。在空间技术方面，利用激光的高精度测距、测速、测角和主动探测的能力，可实现空间飞行器的精密测距，交会对接，导航等功能，同时利用激光通信技术可实现飞行器和和地面的数据传递^[2]。在深空探测方面，利用激光雷达可探测行星的表面和大气的特征测量，如月球、火星和小行星^[3]，同时也是飞行器在月球和火星表面安全着陆、返回的必要保障。

激光雷达和激光高度计利用激光的方向性、单色性、相干性好的优点，在有些大气参数、对地遥感和深空探测的测量中，具有其他传感器不可比拟的优势。而激光光源的输出特性好坏直接决定着激光雷达的探测性能^[4]。以激光二级管泵浦的固态激光器（diode-pumped all-soild-state laser，DPSSL）由于具有效率高、能量高、光束质量好、稳定性好的优点而在激光雷达光源中占有重要地位，尤其是在空间探测中的优势极为明显，因此研究空间激光雷达用固体激光光源尤为重要^[5]。

1.2 国内外研究进展

当1960年激光器发明之后，科学家就设想将激光技术应用到太空探索中。早在美国阿波罗登月计划中，NASA最后三个阿波罗登月空间飞行器都携带了激光高度计。20世纪80年代后，半导体激光器的诞生，以激光二极管泵浦的全固态激光器以其高转换效率、使用寿命长、光束质量好等优点得到了迅速的发展，成为空间应用激光雷达的主要光源^[6]。迄今为止，已经有很多的固体激光器应用到空间探测与研究中，如图1.1所示^[7]。