CN103066487A - 一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置及方法 - Google Patents

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刘欣悦
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Abstract

一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置及方法涉及光学外差干涉技术领域，装置包括单频激光光源、多个保偏分光器、多个光学移频器、多个激光耦合系统、多个多级激光功率放大器、多个频率转换器和多个俯仰/倾斜调整镜；单频激光光源输出的光束先后入射至多个保偏分光器，被分成两束以上偏振态相似的光束输出给光学移频器，光学移频器微量改变光学频率输出给激光耦合系统，经整形后入射至多级激光功率放大器，最后一级激光功率放大器输出光束入射至频率转换器，经大范围改变每束光的光学频率，再通过俯仰/倾斜调整镜调整每束移频光束的传播方向获得期望的外差干涉模式。本发明可避免最终高功率激光对分光器及移频器的损伤。

Description

一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置及方法
技术领域
本发明涉及光学外差干涉技术领域，具体涉及一种基于主振功放(Master Oscillator Power Amplifier，MOPA)激光器结构的高功率外差可调干涉模式的生成装置和方法。
背景技术
激光主动成像技术克服被动成像技术距离近和对自然光源依赖大等缺点，成为近年来的研究热点之一，其利用激光干涉场技术成像，可以通过获取目标散射能量中包含的不同空间频率分量对应的振幅和相位信息，重构目标图像。该技术的一个重要分支便是傅立叶望远镜成像技术(Imaging technique of Fourier telescope or Fouriertelescopy，FT)，其利用主动激光照明在目标表面生成各种期望的外差干涉模式从而实现对目标的高分辨率成像。
经过对现有技术文献的检索发现，E. Louis Cuellar等人发表在SPIE会议2005年第5896卷上的一片文章《Laboratory and Field Experimental Demonstration of a Fourier Telescopy Imaging System》中，提出了将单频激光光源输出的单一光束经过分光后再移频从而形成期望外差干涉模式的方法，然而这种腔外分光移频方式并不能适应峰值功率大于100MW或者单脉冲能量大于1J的高功率外差激光的应用场合，因为这时最后输出光束的光束质量很差，光束直径大于5mm，发散角大于2mrad，大于现有光学移频器件的最大口径，无法实现对光束的有效光学移频，并且高功率激光还会造成分光器件和移频器不同程度的损伤。
发明内容
为了解决现有利用单一激光光束经过分光后再移频从而形成期望外差干涉模式的方法不能适应高功率外差激光的应用场合，其得到的光束直径和发散角都大于现有光学移频器件的最大口径，无法实现对光束的有效光学移频，并且高功率激光还会造成分光器件和移频器不同程度的损伤的技术问题，本发明提供一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置及方法。
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置包括：单频激光光源、多个保偏分光器、多个光学移频器、多个激光耦合系统、多个多级激光功率放大器、多个频率转换器和多个俯仰/倾斜调整镜；其中：单频激光光源输出的光束先后入射至多个保偏分光器，多个保偏分光器将接收的光束分成两束以上偏振态相似的光束输出给多个光学移频器，多个光学移频器将接收的每束光微量改变光学频率输出给多个激光耦合系统，多个激光耦合系统将接收的光束整形后入射至多个多级激光功率放大器，每个多级激光功率放大器中的最后一级激光功率放大器输出光束入射至多个频率转换器，多个频率转换器大范围改变每束光的光学频率，产生期望波长的移频光束；每束移频光束通过俯仰/倾斜调整镜后在期望距离处叠加在一起，调整每束移频光束的传播方向获得期望的外差干涉模式。
一种生成高功率光学外差激光干涉模式的方法包括如下步骤：
步骤一、单频激光光源产生带宽<300MHz、光束质量M2<1.5的激光束，该光束通过多个保偏分光器分成多束偏振态相同或相似的光束；
步骤二、经过步骤一分光后的每束光均入射至一个光学移频器，微量改变每束光的光学频率，使每两束光的外差频率均不同；每束移频光束经过激光耦合系统整形后入射至多级激光功率放大器，利用多级放大使出射光束能量或功率达到期望值；
步骤三、经过步骤二放大后的移频光束通过频率转换器大范围改变光学频率，产生期望频率或波长的光束；然后每束移频光束均入射至一个俯仰/倾斜调整镜，俯仰/倾斜调整镜调整每束移频光束的传播方向，在期望距离处产生多束移频光束的叠加，从而实现期望的光学外差干涉模式。
本发明的有益效果是：将分光器和光学移频器放在MOPA激光器结构内，从而实现在主振功放激光器输出的低功率激光上进行分光和高效移频，可以避免最终高功率或能量激光对分光器件及移频器件的损伤；激光功率放大器可以多级级联使用，从而生成期望功率或能量的外差干涉模式；通过激光功率放大器的多级放大获得高功率或能量，降低了主振功放激光器的输出功率或能量，从而在光学移频器前获得更高光束质量的光束可以有效拓宽光学移频范围。
附图说明
图1是本发明生成高功率光学外差激光干涉模式的装置的原理示意图。
图2是本发明一实施例的生成高功率光学外差激光干涉模式的装置的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明生成高功率光学外差激光干涉模式的装置包括：单频激光光源1、多个保偏分光器2、多个光学移频器3、多个激光耦合系统4、多个多级激光功率放大器5、多个频率转换器6和多个俯仰/倾斜调整镜7；其中：单频激光光源1输出的光束先后入射至多个保偏分光器2，多个保偏分光器2将接收的光束分成两束以上偏振态相似的光束输出给多个光学移频器3，多个光学移频器3将接收的每束光微量改变光学频率输出给多个激光耦合系统4，多个激光耦合系统4将接收的光束整形后入射至多个多级激光功率放大器5，每个多级激光功率放大器5中的最后一级激光功率放大器输出光束入射至多个频率转换器6，多个频率转换器6大范围改变每束光的光学频率，产生期望波长的移频光束；每束移频光束通过俯仰/倾斜调整镜7后在期望距离处叠加在一起，调整每束移频光束的传播方向获得期望的外差干涉模式8。
上述的单频激光光源1可以为固体单频激光源或光纤单频激光源等窄带单频激光源，光谱带宽小于300MHz。例如，可以使用半导体激光泵浦的单频固体激光器产生的激光光源。
上述的保偏分光器2可以为分光棱镜、分光平板或分光薄膜等保证分光后光束偏振态与入射光束偏振态相同或相似的分光器件。保偏分光器2的数目取决于期望产生移频光束的数目，至少为1个。
上述的光学移频器3可以为能够改变光学频率的器件，比如声光移频器(Acousto-optical frequency shifter，AO)等。光学移频器3的数目取决于期望产生移频光束的数目，至少为2个。
上述的激光耦合系统4包括所有能够保偏并将光束有效会聚到后续激光功率放大器中的光学装置，比如透射式耦合光学系统、反射式耦合光学系统或折返式耦合光学系统。实际系统中可以根据移频后光束质量选择是否采用激光耦合系统。如果需要，则激光耦合系统的数目取决于期望产生移频光束的数目，至少为2个。
上述的多级激光功率放大器5可以为固体功率放大器或光纤功率放大器等能够将入射激光能量或功率放大到期望能量或功率值的激光放大器。激光功率放大器的路数取决于期望产生移频光束的数目，至少为2路。每路激光功率放大器的级数取决于期望输出功率或能量，至少为1级。
上述的频率转换器6为可以将入射光频率或波长改变到期望频率或波长的器件，比如光学倍频器、KTP倍频晶体等。频率转换器6的数目取决于期望产生移频光束的数目，至少为2个。
上述的俯仰/倾斜调整镜7为可以调整出射移频光束传播方向，能够使多束移频光束在期望距离处叠加的器件，比如快反镜(Fast Steering Mirror，FSM)、二维倾斜调整反射镜。俯仰/倾斜调整镜7的数目取决于期望产生移频光束的数目，至少为2个。
实施例一、
如图2所示，本发明生成高功率外差干涉模式激光的装置包括单频激光光源1、第一保偏分光器2-1、第二保偏分光器2-2、第一光学移频器3-1、第二光学移频器3-2、第一激光耦合系统4-1、第二激光耦合系统4-2、第一多级激光功率放大器5-1、第二多级激光功率放大器5-2、第一频率转换器6-1、第二频率转换器6-2、第一俯仰/倾斜调整镜7-1和第二俯仰/倾斜调整镜7-2；单频激光光源1、第一保偏分光器2-1、第一光学移频器3-1、第一激光耦合系统4-1、第一多级激光功率放大器5-1、第一频率转换器6-1、第一俯仰/倾斜调整镜7-1顺次排列在同一光轴上；第二保偏分光器2-2、第二光学移频器3-2、第二激光耦合系统4-2、第二多级激光功率放大器5-2、第二频率转换器6-2、第二俯仰/倾斜调整镜7-2顺次排列在同一光轴上。
单频激光光源1发出一束单频激光并入射到第一保偏分光器2-1，第一保偏分光器2-1将入射光分成透射光束和反射光束，其透射光束沿原光路继续传播成为第一偏振光，并入射至第一光学移频器3-1，第一光学移频器3-1对第一偏振光进行光学移频后射入第一激光耦合系统4-1，第一激光耦合系统4-1对第一偏振光整形后射入第一多级激光功率放大器5-1，第一多级激光功率放大器5-1对第一偏振光放大后射入第一频率转换器6-1，第一频率转换器6-1改变第一偏振光的光学频率后形成第一移频干涉光束并射入第一俯仰/倾斜调整镜7-1，第一俯仰/倾斜调整镜7-1调整第一移频干涉光束的出射方向和角度，使其射向目标方位。第一保偏分光器2-1的反射光束入射到第二保偏分光器2-2并经第二保偏分光器2-2反射后成为第二偏振光，第二偏振光顺次经过第二光学移频器3-2、第二激光耦合系统4-2、第二多级激光功率放大器5-2、第二频率转换器6-2后形成第二移频干涉光束并射入第二俯仰/倾斜调整镜7-2，第二俯仰/倾斜调整镜7-2调整第二移频干涉光束的出射方向和角度，使其射向目标方位；在第一移频干涉光束经第一俯仰/倾斜调整镜7-1调整后以及第二移频干涉光束经第二俯仰/倾斜调整镜7-2调整后，两移频干涉光束汇聚于空间中的同一个目标点，并在该目标点处形成预期频率的外差干涉模式8。
本发明生成高功率光学外差激光干涉模式的方法包括如下步骤：
步骤一、单频激光光源1产生带宽<300MHz、光束质量M2<1.5的激光束，该光束通过多个保偏分光器2分成多束偏振态相同或相似的光束；
步骤二、经过步骤一分光后的每束光均入射至一个光学移频器3，微量改变每束光的光学频率，使每两束光的外差频率均不同；每束移频光束经过激光耦合系统4整形后入射至多级激光功率放大器5，利用多级放大使出射光束能量或功率达到期望值；
步骤三、经过步骤二放大后的移频光束通过频率转换器6大范围改变光学频率，产生期望频率或波长的光束；然后每束移频光束均入射至一个俯仰/倾斜调整镜7，俯仰/倾斜调整镜7调整每束移频光束的传播方向，在期望距离处产生多束移频光束的叠加，从而实现期望的光学外差干涉模式8。

Claims (10)

1.一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置，其特征在于，该装置包括：单频激光光源（1）、多个保偏分光器（2）、多个光学移频器（3）、多个激光耦合系统（4）、多个多级激光功率放大器（5）、多个频率转换器（6）和多个俯仰/倾斜调整镜（7）；其中：单频激光光源（1）输出的光束先后入射至多个保偏分光器（2），多个保偏分光器（2）将接收的光束分成两束以上偏振态相似的光束输出给多个光学移频器（3），多个光学移频器（3）将接收的每束光微量改变光学频率输出给多个激光耦合系统（4），多个激光耦合系统（4）将接收的光束整形后入射至多个多级激光功率放大器（5），每个多级激光功率放大器（5）中的最后一级激光功率放大器输出光束入射至多个频率转换器（6），多个频率转换器（6）大范围改变每束光的光学频率，产生期望波长的移频光束；每束移频光束通过俯仰/倾斜调整镜（7）后在期望距离处叠加在一起，调整每束移频光束的传播方向获得期望的外差干涉模式（8）。
2.如权利要求1所述的一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置，其特征在于，所述微量改变频率为相对频率改变量<0.1%，所述大范围改变频率为相对频率改变量>1%。
3.如权利要求1所述的一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置，其特征在于，所述单频激光光源（1）为固体单频激光源或光纤单频激光源，光谱带宽小于300MHz。
4.如权利要求1所述的一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置，其特征在于，所述保偏分光器（2）为分光棱镜或分光平板或分光薄膜。
5.如权利要求1所述的一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置，其特征在于，所述光学移频器（3）为声光移频器。
6.如权利要求1所述的一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置，其特征在于，所述激光耦合系统（4）为透射式耦合光学系统或反射式耦合光学系统或折返式耦合光学系统。
7.如权利要求1所述的一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置，其特征在于，所述多级激光功率放大器（5）为固体功率放大器或光纤功率放大器。
8.如权利要求1所述的一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置，其特征在于，所述频率转换器（6）为光学倍频器。
9.如权利要求1所述的一种生成高功率光学外差激光干涉模式的装置，其特征在于，所述俯仰/倾斜调整镜（7）为快反镜。
10.基于权利要求1-9中任一项所述生成高功率光学外差激光干涉模式的装置的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一、单频激光光源（1）产生带宽<300MHz、光束质量M2<1.5的激光束，该光束通过多个保偏分光器（2）分成多束偏振态相同或相似的光束；
步骤二、经过步骤一分光后的每束光均入射至一个光学移频器（3），微量改变每束光的光学频率，使每两束光的外差频率均不同；每束移频光束经过激光耦合系统（4）整形后入射至多级激光功率放大器（5），利用多级放大使出射光束能量或功率达到期望值；
步骤三、经过步骤二放大后的移频光束通过频率转换器（6）大范围改变光学频率，产生期望频率或波长的光束；然后每束移频光束均入射至一个俯仰/倾斜调整镜（7），俯仰/倾斜调整镜（7）调整每束移频光束的传播方向，在期望距离处产生多束移频光束的叠加，从而实现期望的光学外差干涉模式。
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