CN103326235A - 一种适用于钠激光导星的光源 - Google Patents

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宁禹
岳德胜
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本发明属于激光器技术领域，公开了一种适用于钠激光导星的光源。该光源包括用于产生泵浦光的泵浦源、含有增益介质的气体工作室和谐振腔。增益介质是由钠原子气体和惰性气体共同组的混合气体，该混合气体形成的准分子具有一个位于589nm处的共振吸收峰和一个波长比589nm短的吸收伴峰；泵浦光的波长对准吸收伴峰，将钠原子和惰性气体准分子泵浦至高能态，再通过分解生成高能态的钠原子；在谐振腔的作用下，高能态的钠原子向基态跃迁时辐射出589nm的激光。该激光自动对准钠原子的共振吸收峰，为钠激光导星提供光源。本发明无复杂的频率锁定和线宽控制系统，结构简单；工作介质具有寿命长，可循环利用的优点。

Description

一种适用于钠激光导星的光源
技术领域
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种适用于钠激光导星光源。
背景技术
当光束在大气中传输时，由于大气湍流的影响，会引起光束的波前发生畸变，对天文观测的影响表现为图像分辨率下降，使观测目标变模糊。目前，为了提高空间目标观测的分辨率，基于人造导星技术的自适应光学越来越受到研究人员的重视。钠激光导星自适应光学系统的工作原理是：利用钠激光导星光源发出的光将距离地面80～120千米处钠层中的钠原子泵浦到激发态，然后以钠原子自发辐射发出的光为信标光，通过探测该信标光所携带的大气湍流引起的波前畸变信息，自适应光学校正系统可做出补偿，以提高观测空间目标的分辨率。而钠激光导星光源则是该系统得以成功的前提。
目前的钠激光导星光源主要基于固体激光器或者光纤激光器，通过非线性频率转换技术获得。基于固体激光器的典型实现方案是利用一台波长为1064nm的激光器和一台波长为1319nm的激光，通过非线性晶体将两束光和频，获得589nm的钠激光导星光源。基于光纤激光器的实现的典型方案是将波长为1064nm的激光通过拉曼频移变为1178nm光，然后倍频获得589nm的钠激光导星光源。由于钠原子共振线吸收线宽在100MHz量级，因此要求钠激光导星光源波长要精确对准其共振吸收峰，而且线宽要与吸收线宽相匹配。这使得无论基于固体激光器还是光纤激光器的方案都需要一套复杂的频率锁定和光谱压窄系统。
由上可见，现有的钠激光导星存在频率和线宽控制系统复杂的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于钠激光导星的光源，解决现有技术的光源需要复杂的频率和线宽控制系统的不足，系统结构简单，便捷高效。
本发明采用的技术方案是：
一种适用于钠激光导星的光源，包括用于产生泵浦光的泵浦源、含有增益介质的气体工作室和谐振腔，其特征在于：所述增益介质为钠原子气体和惰性气体共同组成的混合气体；所述混合气体中，钠原子和惰性气体形成准分子，该准分子具有一个位于589nm处的共振吸收峰和一个波长比589nm短的吸收伴峰；所述泵浦源提供的泵浦光的波长对准所述吸收伴峰，钠原子和惰性气体准分子吸收泵浦光后跃迁至高能态，然后处于高能态的准分子通过分解生成高能态的钠原子，在谐振腔的作用下，所述高能态的钠原子向基态跃迁时辐射出589nm的激光。
进一步地，所述惰性气体是氦气、氖气、氩气、氪气或者氙气中的一种或者多种。
进一步地，所述增益介质中惰性气体含量为1016～1022个每立方厘米，钠原子含量为108～1014个每立方厘米。
进一步地，所述泵浦源包括泵浦激光器和倍频晶体。
进一步地，所述泵浦激光器为半导体激光器、固体激光器或者光纤激光器。
进一步地，所述泵浦源提供的泵浦光是连续光或者脉冲光。
进一步地，所述谐振腔用于为589nm的激光的形成提供反馈并实现激光输出，其结构和谐振腔中输出镜的透过率根据需要的功率输出和模式进行确定。
进一步地，所述气体工作室是增益介质吸收泵浦光的同时，为激光提供增益的工作室；所述气体工作室包括激光透射窗口，所述激光透射窗口允许泵浦光射入气体工作室，将增益介质激发至高能态，同时允许589nm的激光透过并与谐振腔形成振荡光路。
进一步地，所述光源还包括气体温控和循环装置，所述气体工作室包括用于连接所述气体温控和循环装置的气体流动窗口，所述气体流动窗口允许钠原子气体和惰性气体进入或者流出气体工作室；所述气体温控和循环装置用于控制增益介质的温度保持在10摄氏度至1000摄氏度之间。
进一步地，气体温控和循环装置包括循环控制装置、气体温度控制器、流量阀、钠原子气体发生器以及用于连接上述装置的气体循环管道；所述循环控制装置为气体流动提供动力；气体温度控制器可以对气体进行加热或者制冷；钠原子气体发生器用于控制流动气体中钠原子的粒子数密度。增益介质从气体工作室流出来后进入气体温度控制器，气体温度控制器根据需要对流动气体进行加热或者制冷；再经过循环控制装置流出后进入流量阀，然后进入钠原子气体发生器，最后流动气体重新进入气体工作室工作。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的一种适用于钠激光导星的光源以钠原子气体和惰性气体作为增益介质，辐射的激光自动对准钠原子的共振吸收峰，因此无需复杂的频率和线宽控制系统；而且增益介质可流动散热，有望获得高输出功率的同时保持好的光束质量；此外工作介质可循环利用，避免了气体排放的问题，有望发展成为一种具有较大潜力的钠激光导星光源。同时由于工作介质的吸收线宽在nm量级，因此对泵浦源无特别的线宽要求。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例中气体温控和循环装置的结构示意图。
图例说明：
1.泵浦源；11.光纤激光器；12.倍频晶体；
2.谐振腔；21.谐振腔后反射镜；22.谐振腔耦合输出镜；
3.气体工作室；31.激光透射窗口；32.气体流动窗口；33钠原子气体；34.惰性气体；
4.气体温控和循环装置；41.气体温度控制器；42.循环控制装置；43.流量阀；44.气体循环管道；45.钠原子气体发生器；
5.光路；51.基频光；52.泵浦光；53.谐振激光；54.589nm激光；
6.流动气体。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明所述的一种适用于钠激光导星的光源包括泵浦源1、谐振腔2和含有增益介质的气体工作室3。
本发明中增益介质由钠原子气体33和惰性气体34共同组成，惰性气体可以是氦气、氖气、氩气、氪气或者氙气。在本实施例的惰性气体为氙气。氙气3含量为1018个每立方厘米；钠原子含量为1012个每立方厘米。钠原子气体与氙气组成的混合气体在566nm处有一个吸收伴峰。该吸收伴峰的线宽在nm量级。
本发明中泵浦源可以根据增益介质中不同的惰性气体和泵浦强度需要选择合适的激光器。本实施例中的泵浦源由光纤激光器11和倍频晶体12共同组成。光纤激光器11辐射中心波长为1132nm的基频光51，基频光经过倍频晶体后变为566nm的泵浦光52，泵浦光对准钠原子气体与氙气组成的混合气体的吸收伴峰。
本发明中谐振腔用于产生激光振荡并提供所要求的功率输出，可以根据需要的功率输出和模式选择谐振腔的结构和腔镜的透过率。本实施例的谐振腔由两个镜面组成，包括谐振腔后反射镜21和谐振腔耦合输出镜22。谐振腔后反射镜21所镀膜层对泵浦光增透、对谐振激光高反。
如图2所示，增益介质从气体工作室3中经过气体流动窗口32流出来后进入气体温度控制器41。气体温度控制器41可以根据需要对流动气体6进行加热或者冷却，加热方式可以采取电加热、火焰加热等方式，冷却方式可以采取水冷、风冷或者其他冷却方式，本实施例中采用管道外围水冷方式实现。循环控制装置42可以采用气泵或者风机等方式，本实施例中采用气泵。气泵为流动气体6提供循环动力。流动气体流出气泵后进入流量阀43，接着进入钠原子气体发生器45。钠原子气体发生器45可以由加热钠金属固体获得钠原子以及本领域技术人员所知晓的其它方式，在本实施例中采用对钠金属固体进行加热实现对钠原子粒子数密度的控制。钠原子气体发生器45将流动气体6中钠原子含量控制为1012个每立方厘米量级。最后流动气体6以300℃左右的温度重新进入气体工作室3。
本实施例的具体工作过程如下：首先打开循环控制装置42、流量阀43、钠原子气体发生器45、气体温度控制器41，增益介质开始循环流动；然后打开光纤脉冲激光器11，光纤脉冲激光器11发出的基频光51通过倍频晶体12后变为泵浦光52入射到气体工作室3中；增益介质在泵浦光52的作用下被激发到高能态，高能态的增益介质产生的受激辐射在谐振腔2的反馈作用下不断放大形成谐振激光53，同时通过谐振腔耦合输出镜输出589nm激光54。

Claims (10)

1.一种适用于钠激光导星的光源，包括用于产生泵浦光的泵浦源、含有增益介质的气体工作室和谐振腔，其特征在于：所述增益介质为钠原子气体和惰性气体共同组成的混合气体；所述混合气体中，钠原子和惰性气体形成准分子，该准分子具有一个位于589nm处的共振吸收峰和一个波长比589nm短的吸收伴峰；所述泵浦源提供的泵浦光的波长对准所述吸收伴峰，钠原子和惰性气体准分子吸收泵浦光后跃迁至高能态，然后处于高能态的准分子通过分解生成高能态的钠原子，在谐振腔的作用下，所述高能态的钠原子向基态跃迁时辐射出589nm的激光。
2.根据权利要求1所述的适用于钠激光导星的光源，其特征在于：所述惰性气体是氦气、氖气、氩气、氪气或者氙气中的一种或者多种。
3.根据权利要求1所述的适用于钠激光导星的光源，其特征在于：所述增益介质中惰性气体含量为1016～1022个每立方厘米，钠原子含量为108～1014个每立方厘米。
4.根据权利要求1所述的适用于钠激光导星的光源，其特征在于：所述泵浦源包括泵浦激光器和倍频晶体。
5.根据权利要求3所述的适用于钠激光导星的光源，其特征在于：所述泵浦激光器为半导体激光器、固体激光器或者光纤激光器。
6.根据权利要求1所述的适用于钠激光导星的光源，其特征在于：所述泵浦源提供的泵浦光是连续光或者脉冲光。
7.根据权利要求1所述的适用于钠激光导星的光源，其特征在于：所述谐振腔用于为589nm的激光的形成提供反馈并实现激光输出，其结构和谐振腔中输出镜的透过率根据需要的功率输出和模式进行确定。
8.根据权利要求1所述的适用于钠激光导星的光源，其特征在于：所述气体工作室是增益介质吸收泵浦光的同时，为激光提供增益的工作室；所述气体工作室包括激光透射窗口，所述激光透射窗口允许泵浦光射入气体工作室，将增益介质激发至高能态，同时允许589nm的激光透过并与谐振腔形成振荡光路。
9.根据权利要求1所述的适用于钠激光导星的光源，其特征在于：所述光源还包括气体温控和循环装置，所述气体工作室包括用于连接所述气体温控和循环装置的气体流动窗口，所述气体流动窗口允许钠原子气体和惰性气体进入或者流出气体工作室；所述气体温控和循环装置用于控制增益介质的温度保持在10摄氏度至1000摄氏度之间。
10.根据权利要求9所述的适用于钠激光导星的光源，其特征在于：所述气体温控和循环装置包括循环控制装置、气体温度控制器、流量阀、钠原子气体发生器以及用于连接上述装置的气体循环管道；所述循环控制装置为气体流动提供动力；气体温度控制器可以对气体进行加热或者制冷；钠原子气体发生器用于控制流动气体中钠原子的粒子数密度；增益介质从气体工作室流出来后进入气体温度控制器，气体温度控制器根据需要对流动气体进行加热或者制冷；再经过循环控制装置流出后进入流量阀，然后进入钠原子气体发生器，最后流动气体重新进入气体工作室工作。
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