NASA全球生态系统动态调查激光雷达(GEDI)

Posted 2022-02-08 空中旋转篮球

戈达德太空飞行中心GSFC的LEOB激光与光电部负责建造用于全球生态系统动态调查GEDI激光雷达任务的激光器，将安装在国际空间站ISS的日本实验舱（Japanese Experiment Module，JEM）。GEDI将使用三个NASA开发的激光器，每个耦合一个光束抖动单元BDU（Beam Dithering Unit），用于在地球表面产生三组交错的轨迹，精确测量全球生物量。

1 介绍

GEDI激光器基础架构使用了高输出最大效率谐振器（High Output Maximum Efficiency Resonator，HOMER）级别的激光系统。HOMER激光器已开发十余年，旨在减少部件数量，最大程度提高航天应用的可靠性。该激光系统是从Armandillo等人的设计演变而来的，1997年取得首次bread-boarded结果。很多年来科学家们一直致力于实现这种高水平系统可靠性和长寿命，这种激光器架构在很大程度上没发生多大变化，在机械方面，激光器已经得到组件和系统级别的多个改进和测试验证。HOMER设计的所有腔体组件已通过了技术成熟度TRL 6（Technology Readiness Level）级测试，或已执行过任务（TRL9）。HOMER已被GEDI计划成功应用，并为了实现科学任务目标所要求的激光输出性能，HOMER已经进行了改进调整。 

图1. GEDI激光器截面图和接口

2. GEDI激光器架构

GEDI激光器和接口概述如图1所示。GEDI激光器主要负责提供1064 nm的10 mJ Q开关激光脉冲。振荡器激光器由光具座和泵模块组成，放置于加压密封的激光器外壳中。机箱内部是高压Q开关电子元件、触发脉冲光学传感器、压力和温度传感器、以及内部器具。在电学方面，激光器与激光电子单元LEU（Laser Electronics Unit）对接，提供Q开关电压、触发、激光二极管驱动电流，并接收温度和压力水平遥测。液体冷却板和热电冷却器TEC（Thermal Electric Cooler）将二极管保持在35°C，并安装在机箱壳外部。在光学方面，有一个整体式微型光束扩展器提供任务所需的输出分束。最后，3个钛弯曲安装在GEDI光具座上。JEM和GEDI仪器如图2所示。

图2.将GEDI激光器集成在GEDI仪器上，并安装于ISS JEM

3.设计需求

表1总结了GEDI激光器设计的驱动需求。GEDI项目一直非常小心地把要求下放给激光器团队，从工程方面最大化硬件和科学目标。通过构建ETU和飞行单元，来分析这些要求和一系列驱动测试参数。

表1 GEDI激光器驱动需求

名称	参数值
激光波长	真空中1064.5 nm ± 0.2 nm
最大允许激光能量	输出口全光束10 mJ +/- 5%
激光输出偏振率（极化率）	≥ 200:1
脉冲重复频率	242 +/- 2 Hz
脉冲宽度	≤ 16 ns FWHM
激光寿命	32亿次
LDA工作温度	35 +/- 2 °C

4. 激光器设计

4.1激光腔

GEDI激光器HOMER级设计采用的是一种飞行质量Nd：YAG，其中，二极管泵浦固态振荡激光器腔产生光束质量和脉冲能量，通常与主振荡器功率放大器MOPA系统相关。HOMER激光器实现了高效率、低零件数和长寿命，可持续运行超过2年（> 160亿脉冲）。该激光器在稳定的腔体中采用侧面泵浦锯齿形板结构，在不使用被动光束整形的情况下可能难以实现TEM00模式。使用普罗棱镜（porro-prisms）和/或腔内光阑可生成质量单模光束。然而，已经证实这些方案将产生强烈的光学衍射效应，并降低整体光学损伤抗性。这些诱导光学扰动通过引入光学尖峰、时空、光学材料和涂层表面的相长干涉效应，降低所有腔体组件的有效平均光学损伤阈值。这些扰动限制了总体可靠性，还引入了强度抖动，最终降低了激光系统的性能。如果想在这样一个激光器中利用这些方法实施无损操作TEM00，那么光效率总会有所损失，并且也将失去由锯齿形板所带来的许多优势。另外一种选择，可以将梯度反射镜GRM（Graded Reflectivity Mirror）腔体设计与优化泵浦之字形平板相结合，将大幅度减少这类问题，此外还可开展关于安全腔体操作细节方面的研究工作。

使用GRM作为输出耦合器，TEM00脉冲能量可以从一个>10 mJ的振荡器中获得，而且脉冲能量高度可扩展，因为系统光束质量的基础是产生相对较大的腔内低能量束。最终光学设计使用的腔体长度为40厘米，采用正（凹）曲率半径ROC（Radius of Curvature，），99.9％HR镜以及负（凸）237cm ROC GRM，有效平均反射率约为32％，峰值反射率约为65％。为产生1064nm增益切换激光脉冲，采用有源Q开关，由光电普尔克（pockel）电池、一对被动偏振光学器件、四分之一波片和薄膜偏振片TFP（Thin Film Polarizer）组成。作为GEDI计划的一部分，所有交付的涂层光学件将样品经过激光诱导损伤测试LIDT（Laser Induced Damaged Testing）。过去十年里使用LIDT值、模型以及验证实验结果，激光团队知道了激光器在特定环境什么能级下运行是安全的。光学布局如图3所示。 

 

图3. GEDI激光器光腔布局，有22个反弹板，顶部可看到GRM

4.2激光器增益泵送方案

HOMER的增益模块或激光头采用7堆4根809 nm LDA，可以泵浦掺杂1.1％Nd：YAG的22次反弹锯齿形板。这些源自28根LDA的高度散光束利用未掺杂YAG制成的长形平凸柱面透镜进行会聚。这产生了类似尺度的高度集中增益区域，穿过Nd：YAG横截面，垂直于腔体光轴，存储能量可有效通过谐振腔模型进行提取。事实上，由于系统效率非常高，二极管泵显著降低，使得激光器系统有足够的余量从任何意外激光损失中进行恢复。所使用二极管能够工作在至少100 A和200μs的条件下。相比之下，当激光器配置为10 mJ输出能量时，二极管在50 A和40μs进行泵浦。当组装二极管泵浦模块时，需要密切监视泵浦透镜与二极管表面之间的距离，因为将它们放置在沿着泵浦表面的小吸收峰区域，将会产生并触发由微透镜效应所引起的光学损伤。 

 

图4. 二极管安装到铝基座上

激光器板安装在W：Cu散热片和铝桥上。泵透镜放置在板和二极管之间，具有高安放精度。在左上图可以看到组合起来的完整装配效果图。

4.3机械设计

GEDI激光器机械设计允许子部件模块化，分为3个主要部分：外壳、泵浦模块和光具座。所有三个部分主要由铝制成，除了与仪器光具座相接的一些光学支架和钛弯曲件。每个部分都有设计要求，主要源于要让GEDI在整个任务周期的空间环境条件下进行瞄准。已经对整个设计进行了有限元建模，满足所有瞄准孔抖动和对准要求。此外，激光器外壳要让激光器在任务运行期间能承受至少1个大气压。将制作相同的外壳来验证加压密封设计。ETU将在环境测试中确认机械设计要求。

激光器团队征集的这种模块化硬件设计允许在整个组装和对准过程中进行频繁的光学检查。激光器制造过程中可能发生的任何问题都可以通过最小侵入技术得到快速解决，无需腔体重新对准。光具座可以从泵浦模块拆下，如图3所示，如果需要的话，可在没有外壳的情况下完成对齐和相关操作，如图4所示。所以，可以对两者进行独立并行的制造、测试和表征，这种非线性制造能力有助于缩短进度和成本。除了钛光学底座，完整铝合金组件的质量稍大于9kg，如图5所示。

图5. 完整GEDI激光器组件（注：激光将以此方向构建、密封和加压）

4.4热设计

GEDI激光器设计需要主动传导冷却，维持Nd：YAG吸收来自激光二极管阵列LDAs的泵浦波长。另外，必须保持稳定的工作温度，以保证在轨所需的启动时间。JEM提供的液体冷却回路需要额外的主动控制，因为到达每个激光器的流体温度需经历6℃的温度浮动，取决于该路径中的其它热负荷。因此，一对热电冷却器TEC（Thermo-Electric Cooler）将驻留在激光基座和JEM液体热板之间。当激光器处于关闭或待机模式时，将使基座和LDAs保持在35（±2）℃范围内。否则，将重新设计光具座和外壳，使其内部热应力不会影响激光性能。激光器系统将在热真空50°C至-10°C的全生存温度范围内进行测试。

4.5激光性能

每个GEDI激光器以242Hz发射，产生10-17mJ的11-16 ns Q开关脉冲，以及1064nm的TEM00光束质量。该任务需要可靠的激光器，能在整个任务执行过程中持续最少32亿次发射（平均每轨33％的占空比）。最近发布了一个全生命期数据集，运行HOMER-2激光器超过15×109次发射，相当于2年连续运行的测量衰减率仅约为0.1 mJ/十亿。因此，该设计为GEDI任务提供了大量的使用寿命余量。此次寿命测试在特定条件下展示了振荡器设计的优势，当生成20mJ TEM00激光脉冲时，超过了等效的MOPA系统。即便HOMER激光器设计有着悠久的发展史、条件和数据集，GEDI任务激光器性能要求要在HOMER-2 TRL6系统基础上再稍作修改。这些修改已在HOMER-1工程实施，在最近的长时间运行中，已经在必要的能量输出条件下轻松获得32亿次（任务需求）激光出射。前期和后期检查展示了这些参数下的无损运行，进一步证明了HOMER振荡器概念的有效性。任何保留激光性能要求都在GEDI激光试验板系统上进行了测试。应注意的是，作为测试一部分，已知激光器系统的损伤触发，包括纵向模型跳动和小规模自聚焦，都在整个测试过程中得到持续监测。最后，高风险的光学件由激光诱发损伤测试和高精度数学模型进行确认，（GRM和激光板），每次主要实验或任何操作中改变步骤后，都要检查光学损伤。激光器性能如图6所示。 

图6. 配置为运行10 mJ输出能量的GEDI激光器性能总结

注：这些值是在没使用微型光束扩展器的情况下获得的。

4.6激光器制造和测试计划

激光器团队的任务是交付ETU激光器、三个飞行单元和飞行备用件，GEDI ETU激光器的硬件已制造出来并开始装配，ETU和飞行激光器将经过相同的组装和测试过程。ETU和飞行单元都将使用定制设计的电子和光学地面支持设备GSE（Ground Support Equipment）。电子GSE将起到模拟LEU，以及记录激光性能所需所有数据的作用。综合性能测试将会在每个环境测试阶段之前和之后运行此配置。光学GSE如图7所示。

GEDI激光单元将进行振动试验，如在GEDI结构/机械载荷文档中列出。激光器将在X、Y和Z轴上测试无动力的情况，在振动运行中进行性能测试，主要寻找激光束质量的任何变化，以及对准视线的任何运动。

ETU和交付的飞行单元将执行TVAC，如GEDI热接口控制文档说明。此时，每个飞行激光器将经历8个生存周期，生存温度范围从50到-10℃。在每个周期内，激光器将在工作温度范围内暂停，以检查激光器性能。TVAC测试也将作为加压腔体设计的另一确认事项。

一旦完成环境测试，ETU将在飞行单元交付之前开始寿命测试。在测试监测过程中，持续监控激光器性能要求，并且测试工程单元与诸如BDU的其它硬件间的接口。飞行单元将直接交付给GEDI仪器进行集成，然后将根据需要维持仪器级别的性能和环境。

图7. 光学GSE将用于BDU和ETU寿命测试，以及ETU激光器CPT测试，类似结构将用于测试飞行激光器

5. 结论

安装在ISS JEM平台的GEDI仪器将生成有价值的3D、多季节、全球生物量数据集。GEDI任务采用一种强健的HOMER等级激光器，已在许多不同模型上经过多次测试，能够满足关键性能参数。GEDI激光器在LDA降额中有很大的开销、已知可测量的损伤触发、以及热和光学空间的量化余量。合理的和已证明的开发过程、资格计划和硬件基础设施在这个时候就已经到位或正在组装，随时准备完成ETU单元，并为飞行硬件做好准备。最后，基于HOMER的扩展数据集、GEDI激光器的坚实基础和相对性能调整，每个激光器的风险空间大致相同，因此，期望类似寿命周期能力使GEDI任务得以延长。

文献来源：Paul R. Stysley, D. Barry Coyle, Greg B. Clarke, et al., Laser Production for NASA's Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI) Lidar. Proc. of SPIE, Laser Radar Technology and Applications XXI, 2016, 9832. 983207.

转载自：NASA全球生态系统动态调查激光雷达(GEDI)----中国科学院太空应用重点实验室