用千机载激光测距/指示的激光器原理实验研究
用千机载激光测距/指示的激光器原理实验研究
朱作珍 羊毅
1 实验目的
要求设计种激光测距仪机载激光器,达到如下技术指标:
a.单次激光峰值功率:也OMW1
b.激光脉冲宽度:10~15ns
c.光束发散角:≤2.5mrad
d.重复频率:10pps;20pps;
e.工作温度:-40~+40℃;
现通过原理实验,确定其实施方案.
2 原理实验
2. 1 实验一 激光器静态效率及重频工作性能实验
2. 1. 1 实验光路及元器件
2.1. 2 实验条件
a.输入能量 12.15J;
b.冷却水体积 2.6l;
c. 冷却水泵流量61/min, 扬程2m.
2. 1. 3 工作方式
重频lOPPS工作40S、接着20PPS工作30S,停3min,作为一个循环,如此循环七次,连续测量重频工作中每一个脉冲输出能量,每10个脉冲为一组取一个平均值(每一组间隔3s)。
2. 1. 4 实验结果
2. 1. 4. 1 激光静态效率
输入12.ISJ, 输出374mJ,静态效率3.08%。
2. 1. 4. 2 重频输出性能
第一个循环
lOPPS工作时输出能蜇374mJ 391. SmJ 388. 9mJ 385mJ 391. 2mJ
20PPS工作时输出能量409. 9mJ 410mJ 413. 9mJ 412mJ 408.8ml
第二个循环
lOPPS工作时输出能量369. B mJ 388mJ 384mJ 385. 8mJ 390 . 4mJ
20PPS工作时输出能量408. 2mJ 410. 4mJ 403mJ 405. lmJ 409mJ
第三个循环
lOPPS工作时输出能量370. 2ml 388ml 383. 7mJ 369mJ 381. 3mJ
20PPS工作时输出能量409.8mJ 409mJ 412. 6mJ 410mJ 401. 8mJ
第四个循环
lOPPS工作时输出能量366. 9m] 392ml 387. 2mJ 384mJ 391. 2mJ
20PPS工作时输出能量412. 8mJ 401mJ 403. 7mJ 403mJ 403. 4mJ
第五个循环
lOPPS工作时输出能量352.2mJ 394ml 385. lmJ 384mJ 388. 8mJ
20PPS工作时输出能量409. 9ml 378mJ 410. lmJ 396m] 401. lmJ
第六个循环
lOPPS 工作时输出能量336. 5mJ 393ml 391. 2mJ 385mJ 381. 9mJ
20PPS工作时输出能量405.8mJ 404mJ 404mJ 402mJ 400. 2mJ
第七个循环,以同上工作方式工作,观察激光输出斑点,从大量斑点看出:激光输出能量无衰减。
冷却水从2. 61减到21, 重复以上实验,又作了七个循环,输出能蜇情况与上面相同.
从实验可见:
a. 该器件静态效率高达3%;
b. 该器件重频工作性能好,通过以上14000次实验,重频工作无衰减,没有聚焦且输出基本稳定,说明此器件热稳定性能好。(20P PS 工作时输出能量比IOPPS时高是电源在
20 PPS工作时电压升高引起的)。
2. 2 实验二波罗棱镜谐振腔、KD于电光调Q激光实验
2.2.1实验光路图及元器件
2.2.2实验条件
a.输入能量15J;
b.冷却水体积2.6L;
c.冷却水泵流程:6L/min 扬程2m;
d.调Q方式:加压式;
e.延迟时间:160μs;
f.激光谐振腔腔长550mm;
2.2.3实验结果
2.2.3.1动态激光调Q试验
输入15J,输出动态激光脉冲能量178mJ,动态效率为1.18%,测得激光脉冲宽度17ns,峰值功率为10MW。
3.2动态重频工作实验
工作方式:重频10PPS工作40S、接着20PPS工作30S, 停3min, 作为一个循环, 如此循环七次, 观察每个循环中重频10pps开始工作时输出激光斑点、10PPS重频工作40S后输出激光斑点、20PPS开始工作时输出激光斑点及20PPS重频工作30S后输出激光斑点, 比较输出激光斑点情况, 基本不变。
2.2.3.3测激光发散角
发散角的测量采取在像纸上打出近场、远场光斑, 测量其直径计算发散角的方法。测量近场光斑直径为5mm, 1米处远场光斑直径为5.8mm, 发散角为0.8mard。
2.2.3.4机械稳定性试验
照图光路调好的激光器, 将其中的介质偏振片、入片从导轨上拿下来, 再放回, 不作任何调整, 照样出激光另外将激光器腔长从750mm压缩到550mm, 未作任何准直, 照样出激光。
2.2.4实验结果分析
通过实验可见:
a.该器件激光脉冲峰值功率>10MW, 激光发散角<2.5mrad, 达到了要求。
b, 重频工作, 激光输出稳定。
c.该器件机械稳定性好, 为工程应用提供了有利条件。
d.关于输出能量、峰值功率和脉宽
该器件输出能量大178mJ但峰值功率不大10.4MV, 原因是为压窄发散角, 把胜长拉到550mm造成脉宽宽17ns所致。原来作过同种器件, 腔长为220mm加压式调Q, 测量脉宽为10ns。若输出能量为178mJ则峰值功率就是17.8Mw。只要10Mw, 只须100nJ即可, 效率仍按1.18%计算, 输入只需8.5J, 完全不要15J, 这就是波罗棱镜腔的不足之处。
e.关于激光发散角
由于波罗棱镜腔属平平腔类型, 发散角大, 要得到小的发散角, 必须拉长腔长。根据国内外资料, 发散角≤2.5mrad成腔长必须为600mm, 所以原方案腔长取600mm。
f.关于腔长缩短后激光脉宽
腔长从600mm缩短到290mm后, 不但尺寸减小而且脉宽变窄。理论分析表明激光器的脉冲宽度△ t正比于谐振腔内光子的寿命万, 而光子的寿命又和腔长成正比。
g.关于腔长缩短后输入能量
腔长缩短后脉宽为14.4ns, 要求峰值功率10Mw, 输出能量应为144mJ, 若效率仍为1.18%, 则输入能量应为12.2J, 目标争取作到13J, 以减轻对电源及冷却的压力,
2.3实验三波罗棱镜谐振腔、直块调激光实验
2.3.1实验光路图及元器件
2.3.2实验目的
现选用的‘ 晶体损伤闭值高, 能承受要求的大能量高功率激光输出,但其温度性能差, 机载应用中温控难度大原来重频工作、输出几毫焦就损伤, 现LN有改进, 可望用于大能量高功率器件中作为开关, 为摸底现作损伤实验。
2.3.3实验条件
实验条件同2.2.2
2.3.4实验结果
输入15J,输出动态激光能量115.7mJ, 根据公式估算脉宽12nS, 轴出功率9.6MW作重频实验, 工作方式:10PPS工作40S、接着20PPS工作30S, 停3min, 作为一个循环,如此循环七次。观察激光输出情况及LN表面损伤情况。
2.3.5实验结果分析
从实验可见:LN晶体重频工作七分钟, 内部无明显损伤, 只是膜层有些损伤引起光斑不均匀可认为LN只要在镀膜上下功夫, 可提高其抗光损伤能力, 可望用它作为调Q元件, 以避开温控问题。
2.4实验四平凸腔激光器件的静态性能实验
2.4.1实验目的
理论分析表明当平凸非稳腔的儿何放大因子取最佳值时, 平凸非稳腔具有抗失调能力强, 对调校精度要求不高, 对工作物质和调元件的热晴变及光学均匀性不敏感等优点且与平平腔相比它还可以在腔长较短的情况下获得小发散角的激光输出, 同时还可压窄激光脉宽, 减小激光器件的尺寸。本实验的目的是在根据腔内实际元器件的尺寸确定了谐振腔的实际腔长后, 通过实验来验证图所示的平凸腔激光器的几何放大因子、平凸全反镜的曲率半径等腔参数, 是否能确保激光器在中等发散角下有较高的翰出效率。
2.4.2实验光路图及元件见图
2.4.3实验数据
在充电电容容量为成30μF、充电电压为900V的输入条件下, 我们用检流计测试了不同谐振腔腔参数几何放大因子M、两腔镜间距L、平凸全反镜曲率半径R下的激光输出能量。
2.4.4结论
通常, 电光Q一开关的动静比>1/2, 因此, 由表中数据可推知, 图所示的平凸腔的腔参数R=3404mm,L=210mm, 可以满足总体对激光器件提出的动态输出效率>1的要求.
2.5实验五平凸腔激光器件的一开关实验
2.5.1实验光路图及元件
2.5.2实验目的
通过对平凸腔YAG激光器件的性能测试, 来推知平凸腔YAG激光器件的主要性能指标是否达到激光测距/目标指示系统对其提出的主要技术指标。当平凸全反镜曲率半径一定时, 随着腔长L的增大, 几何放大因子M也变大, 从而导致激光静态输出效率丫降低, 这和理论分析是一致的。由此我们可以推知图所示的平凸谐振腔的动态输出效率刀, 发散角。由经验可知, 图所示的平凸谐振腔的动态发散角约为日因此, 在单次工作状态下, 该平凸腔YAG激光器的动态输出效率、发散角满足总体提出的技术指标。
2.5.4理论分析
由于实验条件的限制, 现无法测量激光器件的脉冲宽度△ 及各种不同重频下的光束发散角。因此, 我们暂且从理论上进行分析以估测图所示平凸腔激光器件的整体指标。
2.5.4.1脉宽△ 的估算
理论分析表明, 激光器件的脉冲宽度△ 正比于谐振腔内光子的寿命, 而光子寿命又和腔长成正比。由于平凸谐振腔存在着较大的几何偏折损耗, 因此, 对于同样腔长的平平谐振腔寿命为, 脉宽为以和平平谐振腔寿命为’, 脉宽为△’ 来说,。该平凸腔激光器件的脉宽约为, 因此其输出能量为即可满足峰值功率为的要求。此时激光器件的输入能量可减小到叮, 从而可以减小对激光电源和激光冷却器的压力。
重复频率特性的估测平凸谐振腔的使用局限性在于, 在变重频工作的情况下, 由于激光棒热透镜的焦距随着重复频率的变化而发生变化, 使得平凸谐振腔的有效腔参数发生变化, 从而影响到激光器件的激光输出光束的准直特性, 即激光发散角将随着重复频率的改变而发生变化。
所以, 若图所示的平凸腔激光器件在的重频下的光束发散角日一,则由一式可求出在的重频下的光束发散角了、, 满足总体发散角毛的要求。但实际情况如何, 尚需经过进一步的实验来确定。
3.结论
由实验一、二、三可知, 正交波罗棱镜激光器的腔长可以由缩短到, 此时即可在较窄的脉宽下获得中等发散角的激光输出。实验四、五及理论分析表明, 平凸腔激光器在中等发散角下有较高的输出效率。实验结果表明两种激光器方案均达到了机载激光测距目标指示器的技术要求, 但两者在试用性能上是互补的。
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