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闯入太空的固体激光器盘点历程与挑战

发布时间:2019-08-15 20:21:11

  固体通过一些项目,如火星、水星和格陵兰冰盖,从月球探测器下行高速传输数据等,已经赢得了他们在太空仪器仪表中的地位,但仍然存在一些挑战。

  器出生在太空竞赛初期,但是第一个成功的空间应用却是地面。1962年闪光灯泵浦固体激光器测量月球距离,1964年测量卫星距离,但他们的体积大而笨重,提供测距所需的能量。1965年双子座7名宇航员测试了通信用,但是云层干扰其与地面接收器建立链路。

  1971年,阿波罗15号月球轨道上的灯泵浦0.05Hz 红宝石激光高度计测绘了部分月球表面。然而,无论是灯泵浦固体激光器还是气体激光器都不适于在太空长期运作。长期机械手只有随着二极管泵浦固体激光器的发展才能成为现实。

  激光器到火星

  第一个携带二极管泵浦激光器备受瞩目的空间任务是失事的火星观测者。 1992年9月发射的搭载火星轨道激光测高仪,在进入火星轨道的前三天也就是 199 年8月21日失去了联系。不久,更小的激光高度计测量了月球和近地小行星爱神星的距离。

  图1所示为全新火星轨道激光测高仪,是专门为较小的后续火星探测任务 1996年发射的火星全球勘探者号制造的。这个任务获得了巨大成功,从1998年 月到2001年6月,激光高度仪测量火星从南极到北极的海拔,形成了太阳系行星中最精确的全球地形图。二极管泵浦、Q开关、Nd:每秒钟发射十个48mJ脉冲,每束脉冲持续8ns。总共算下来,它发射了6.7亿束脉冲,这一数据引自一份表述火星有冰川的最新报告。

  200 年1月12日,美国宇航局发射了第一颗对地持续观测星载,地球科学激光测高系统,ICESat-1,研究格陵兰岛和南极冰盖的变化。它包括三台1064nm波长的Nd:YAG激光器,每台机器连续运作18个月,最初发射70mJ脉冲。然而,第一台激光器只运行了 7天,第二台激光器的输出也迅速下降,所以美国宇航局转移到一系列短程运动,从而允许观察持续到2009年最后一台激光器失效。测高仪达到了垂直分辨率接近 cm,在监测冰盖变化方面是至关重要的,同时也收集了世界各地的森林高度数据。

  未来NASA地面系统计划包括激光雷达表面形貌任务,该任务由美国国家研究委员会在2007年提议。目标包括垂直分辨率0.1m、水平分辨率5m的全球地形测绘,绘制局部规划的山体滑坡和洪涝灾害。也可以同时记录土地地形和冠层结构。

  美国宇航局为水星信使任务(MESSENGER mission to Mercury)修改了ICESat-1激光器的主振荡功率放大(MOPA),于2004年8月发射,2011年 月探测器到达水星轨道,截至发稿时,激光高度计仍然在收集地球表面的数据。

  激光通信

  二极管泵浦在向深空高速激光链路方面复苏,无线电链路的受限速度产生了数据瓶颈。继美国宇航局在2005年预算中计划在2009年推出一款称为火星通信轨道器的5W、100Mbit/s激光继电器失败之后,焦点移到了一个更简单的称为月球激光通信演示(LLCD)的测试上。

  LLCD发射器是基于商业通信部件,包括分布反馈二极管激光器、掺铒光纤放大器和调制器,避免空间定制激光器的高成本,美国宇航局光通信事业部总监Donald Cornwell说。设计、建造和运行由麻省理工学院的林肯实验室完成,发射器通过10cm望远镜发射0.5W 1550nm波段激光,一个16进制脉冲位置调制编码四位数据脉冲,在月球轨道的月球大气与粉尘环境探测器(LADEE)(见图2)运行速率622Mbit/s。为了最大限度提高灵敏度,地面接收器采用工作在1- K的超导纳米线阵列探测器。单个1550nm光子可以加热4nm线足够阻止超导,Cornwell说 这一灵敏度是很惊人的,检测效率达到70%~80% 。

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