CN103474872A - 一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器 - Google Patents
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Abstract
一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器，涉及一种单纵模HoYAP固体激光发生器。本发明是解决了现有激光发生器无法输出雷达系统所需要的单频脉冲2.12μm激光的问题，它包括激光二极管、光纤激光器、Tm,Ho:YAP种子激光器、耦合系统、Ho:YAP脉冲激光器和注入锁频伺服系统，激光二极管发出的LD泵浦光入射Tm,Ho:YAP种子激光器后，通过耦合系统入射Ho:YAP脉冲激光器，所述的注入锁频伺服系统控制Ho:YAP脉冲激光器输出单频激光。本发明主要为相干多普勒测风雷达提供适合的光源系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种单纵模HoYAP固体激光发生器。
背景技术
差分吸收激光雷达和相干多普勒测风雷达是实时测量气体成分和大气风场的有力工具，凭借较高的大气传输透过率，2μm种子注入单频脉冲固体激光器是上述激光雷达的高性能激光发射源。根据大气透过率谱，相同功率下波长越长的2μm激光的传输距离越远，越有利于增大激光雷达的测量距离。激光二极管laser diode,LD直接泵浦的2μm固体激光装置具有结构紧凑、性能稳定及易于维护等的优点，非常适合于实际应用。LD泵浦的Tm\Ho掺杂材料是实现2μm输出的有效途径，主要有：(1)800nm左右LD泵浦单掺Tm材料；(2)1.9μm左右LD泵浦单掺Ho材料；(3)800nm左右LD泵浦Tm,Ho双掺材料。方法(1)由于其增益峰集中在1.9μm左右，难以实现大气透过率更高的2.1μm波长激光；方法(2)可以实现2.1μm波长激光输出，但是目前的1.9μm左右LD制作工艺不成熟，导致整个装置转换效率低、废热量大；方法(3)通常要使用低温制冷设备才能有效运转，不方便实际应用。
运用种子光注入锁定技术，能够实现激光雷达系统所需要的单频脉冲2μm激光输出。注入锁定技术要求注入的种子光为线偏振激光。然而，常见的技术成熟的YAG基质是各向同性材料，不能直接产生线偏振激光，因此YAG类激光装置的谐振腔内通常要插入起偏元件，这带来了额外的插入损耗，并增加了激光装置结构的复杂性。相比之下，YAP基质是各向异性材料，能够直接产生线偏振激光，避免了腔内起偏元件带来的插入损耗，适合作为注入锁定技术的种子光源。
发明内容
本发明是为了解决现有激光发生器无法输出雷达系统所需要的单频脉冲2.12μm激光的问题，本发明提供了一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器。
一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器，它包括激光二极管和光纤激光器，它还包括Tm,Ho:YAP种子激光器、耦合系统、Ho:YAP脉冲激光器和注入锁频伺服系统，
所述的Tm,Ho:YAP种子激光器包括第一全反镜、Tm,Ho:YAP晶体、第一波长调谐元件、第二波长调谐元件和输出耦合镜；
所述的耦合系统包括第一变换透镜、二分之一波片、光学隔离元件、第一全反镜、第二全反镜和第二变换透镜；
所述的Ho:YAP脉冲激光器包括2μm输出耦合镜、第一2μm全反镜、Ho:YAP晶体、第一2μm全反镜、第二2μm全反镜和声光调Q晶体；
所述的注入锁频伺服系统包括压电陶瓷、红外探测器和电学伺服系统；
激光二极管发出的LD泵浦光依次经过Tm,Ho:YAP种子激光器中的第一全反镜、Tm,Ho:YAP晶体、第一波长调谐元件、第二波长调谐元件和输出耦合镜透射出Tm,Ho:YAP种子激光器；
Tm,Ho:YAP种子激光器输出的种子光通过耦合系统入射至Ho:YAP脉冲激光器中的2μm输出耦合镜上，
2μm输出耦合镜将接收到的种子光透射至第一2μm全反镜上，经第一2μm全反镜反射的种子光入射至Ho:YAP晶体的上，Ho:YAP晶体将种子光透射至第一2μm全反镜上，第一2μm全反镜将种子光反射至第二2μm全反镜上，第二2μm全反镜将该种子光分束获得透射光和反射光，该反射光依次经声光调Q晶体和2μm输出耦合镜透射输出，所述的经2μm输出耦合镜透射输出的光作为脉冲运转的单纵模HoYAP固体激光发生器的输出光，
光纤激光器发出的泵浦光透过第一2μm全反镜入射至Ho:YAP晶体上，Ho:YAP晶体将该泵浦光透射至第一2μm全反镜上，第一2μm全反镜将接收到的泵浦光透射，
所述的第二2μm全反镜固定在压电陶瓷的一面，所述的压电陶瓷的电压信号输入端与电学伺服系统的电压信号输出端连接，所述的电学伺服系统的电信号输入端与红外探测器的电信号输出端连接，所述的电学伺服系统的控制信号输出端与声光调Q晶体的控制信号输入端连接，所述的红外探测器用于探测第二2μm全反镜的透射光的谐振强度并转换为电信号。
本发明所述的Tm,Ho:YAP种子激光器之后连接耦合系统，耦合系统之后连接Ho:YAP脉冲激光器，注入锁频伺服系统控制Ho:YAP脉冲激光器输出单频激光。
本发明带来的有益效果是，本发明选用激光二极管泵浦的Tm,Ho:YAP种子激光器作为种子光源，选用光纤激光器泵浦的Ho:YAP脉冲激光器作为振荡器，并运用种子光注入锁定技术，实现了雷达系统所需要的单频脉冲2.12μm激光输出，并且本发明所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器全固态化，体积小，输出激光稳定。
附图说明
图1为本发明所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器，它包括激光二极管21和光纤激光器22，它还包括Tm,Ho:YAP种子激光器、耦合系统、Ho:YAP脉冲激光器和注入锁频伺服系统，
所述的Tm,Ho:YAP种子激光器包括第一全反镜1、Tm,Ho:YAP晶体2、第一波长调谐元件3、第二波长调谐元件4和输出耦合镜5；
所述的耦合系统包括第一变换透镜6、二分之一波片7、光学隔离元件8、第一全反镜9、第二全反镜10和第二变换透镜11；
所述的Ho:YAP脉冲激光器包括2μm输出耦合镜12、第一2μm全反镜13、Ho:YAP晶体14、第一2μm全反镜15、第二2μm全反镜16和声光调Q晶体17；
所述的注入锁频伺服系统包括压电陶瓷18、红外探测器19和电学伺服系统20；
激光二极管21发出的LD泵浦光依次经过Tm,Ho:YAP种子激光器中的第一全反镜1、Tm,Ho:YAP晶体2、第一波长调谐元件3、第二波长调谐元件4和输出耦合镜5透射出Tm,Ho:YAP种子激光器；
Tm,Ho:YAP种子激光器输出的种子光通过耦合系统入射至Ho:YAP脉冲激光器中的2μm输出耦合镜12上，
2μm输出耦合镜12将接收到的种子光透射至第一2μm全反镜13上，经第一2μm全反镜13反射的种子光入射至Ho:YAP晶体14的上，Ho:YAP晶体14将种子光透射至第一2μm全反镜15上，第一2μm全反镜15将种子光反射至第二2μm全反镜16上，第二2μm全反镜16将该种子光分束获得透射光和反射光，该反射光依次经声光调Q晶体17和2μm输出耦合镜12透射输出，所述的经2μm输出耦合镜12透射输出的光作为脉冲运转的单纵模HoYAP固体激光发生器的输出光，
光纤激光器22发出的泵浦光透过第一2μm全反镜13入射至Ho:YAP晶体14上，Ho:YAP晶体14将该泵浦光透射至第一2μm全反镜15上，第一2μm全反镜15将接收到的泵浦光透射，
所述的第二2μm全反镜16固定在压电陶瓷18的一面，所述的压电陶瓷18的电压信号输入端与电学伺服系统20的电压信号输出端连接，所述的电学伺服系统20的电信号输入端与红外探测器19的电信号输出端连接，所述的电学伺服系统20的控制信号输出端与声光调Q晶体17的控制信号输入端连接，所述的红外探测器19用于探测第二2μm全反镜16的透射光的谐振强度并转换为电信号。
本实施方式中，第一波长调谐元件3和第二波长调谐元件4限制Tm,Ho:YAP种子激光器输出种子光为单纵模，压电陶瓷18驱动第二2μm全反镜16进行谐振扫描。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器的区别在于，所述的耦合系统包括第一变换透镜6、二分之一波片7、光学隔离元件8、第一全反镜9、第二全反镜10和第二变换透镜11；Tm,Ho:YAP种子激光器输出的种子光依次经过第一变换透镜6、二分之一波片7和光学隔离元件8透射至第一全反镜9上，第一全反镜9将该种子光反射至第二全反镜10上，第二全反镜10将接收到的种子光反射至第二变换透镜11上，第二变换透镜11将接收到的种子光透射至2μm输出耦合镜12上。
具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器的区别在于，所述的第一全反镜1镀有LD泵浦光高透且振荡光高反的介质膜，所述的输出耦合镜5镀有LD泵浦光高透且振荡光部分透射的介质膜，所述的2μm输出耦合镜12镀有对振荡光部分透射的介质膜。
具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器的区别在于，所述的第一全反镜9和第二全反镜10均镀有LD泵浦光高透且振荡光高反的介质膜。
具体实施方式五：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器的区别在于，所述的第一2μm全反镜13、第一2μm全反镜15和第二2μm全反镜16均镀有泵浦光高透且振荡光高反的介质膜。
具体实施方式六：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器的区别在于，所述的Tm,Ho:YAP晶体2镀有LD泵浦光高透且振荡光高透的介质膜。
具体实施方式七：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器的区别在于，所述的第二2μm全反镜16为曲率半径1000mm的平凹镜，所述的2μm输出耦合镜12为曲率半径1000mm的平凹镜，且所述的2μm输出耦合镜12的透过率为18%。
具体实施方式八：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器的区别在于，所述的输出耦合镜5的透光率为2%，所述的激光二极管21发出的LD泵浦光的波长为795nm。具体实施方式九：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器的区别在于，所述的Tm,Ho:YAP种子激光器输出的种子光为单纵模光。
具体实施方式十：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、四、六、七、八或九所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器的区别在于，所述的2μm输出耦合镜12、第一2μm全反镜13、Ho:YAP晶体14、第一2μm全反镜15、第二2μm全反镜16和声光调Q晶体17构成环形腔，该环形腔的物理长度为2.7m。
本实施方式中，当声光调Q晶体17重复频率100Hz时，本发明所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器可获得单脉冲能量达到8mJ的2118.4nm单频脉冲激光输出，该脉冲激光的线宽为3.7MHz，脉冲宽度为151ns。
Claims (10)
1.一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器，它包括激光二极管（21）和光纤激光器（22），其特征在于，它还包括Tm,Ho:YAP种子激光器、耦合系统、Ho:YAP脉冲激光器和注入锁频伺服系统，
所述的Tm,Ho:YAP种子激光器包括第一全反镜（1）、Tm,Ho:YAP晶体（2）、第一波长调谐元件（3）、第二波长调谐元件（4）和输出耦合镜（5）；
所述的耦合系统包括第一变换透镜（6）、二分之一波片（7）、光学隔离元件（8）、第一全反镜（9）、第二全反镜（10）和第二变换透镜（11）；
所述的Ho:YAP脉冲激光器包括2μm输出耦合镜（12）、第一2μm全反镜（13）、Ho:YAP晶体（14）、第一2μm全反镜（15）、第二2μm全反镜（16）和声光调Q晶体（17）；
所述的注入锁频伺服系统包括压电陶瓷（18）、红外探测器（19）和电学伺服系统（20）；
激光二极管（21）发出的LD泵浦光依次经过Tm,Ho:YAP种子激光器中的第一全反镜（1）、Tm,Ho:YAP晶体（2）、第一波长调谐元件（3）、第二波长调谐元件（4）和输出耦合镜（5）透射出Tm,Ho:YAP种子激光器；
Tm,Ho:YAP种子激光器输出的种子光通过耦合系统入射至Ho:YAP脉冲激光器中的2μm输出耦合镜（12）上，
2μm输出耦合镜（12）将接收到的种子光透射至第一2μm全反镜（13）上，经第一2μm全反镜（13）反射的种子光入射至Ho:YAP晶体（14）的上，Ho:YAP晶体（14）将种子光透射至第一2μm全反镜（15）上，第一2μm全反镜（15）将种子光反射至第二2μm全反镜（16）上，第二2μm全反镜（16）将该种子光分束获得透射光和反射光，该反射光依次经声光调Q晶体（17）和2μm输出耦合镜（12）透射输出，所述的经2μm输出耦合镜（12）透射输出的光作为脉冲运转的单纵模HoYAP固体激光发生器的输出光，
光纤激光器（22）发出的泵浦光透过第一2μm全反镜（13）入射至Ho:YAP晶体（14）上，Ho:YAP晶体（14）将该泵浦光透射至第一2μm全反镜（15）上，第一2μm全反镜（15）将接收到的泵浦光透射，
所述的第二2μm全反镜（16）固定在压电陶瓷（18）的一面，所述的压电陶瓷（18）的电压信号输入端与电学伺服系统（20）的电压信号输出端连接，所述的电学伺服系统（20）的电信号输入端与红外探测器（19）的电信号输出端连接，所述的电学伺服系统（20）的控制信号输出端与声光调Q晶体（17）的控制信号输入端连接，所述的红外探测器（19）用于探测第二2μm全反镜（16）的透射光的谐振强度并转换为电信号。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器，其特征在于，所述的耦合系统包括第一变换透镜（6）、二分之一波片（7）、光学隔离元件（8）、第一全反镜（9）、第二全反镜（10）和第二变换透镜（11）；Tm,Ho:YAP种子激光器输出的种子光依次经过第一变换透镜（6）、二分之一波片（7）和光学隔离元件（8）透射至第一全反镜（9）上，第一全反镜（9）将该种子光反射至第二全反镜（10）上，第二全反镜（10）将接收到的种子光反射至第二变换透镜（11）上，第二变换透镜（11）将接收到的种子光透射至2μm输出耦合镜（12）上。
3.根据权利要求1或2所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器，其特征在于，所述的第一全反镜（1）镀有LD泵浦光高透且振荡光高反的介质膜，所述的输出耦合镜（5）镀有LD泵浦光高透且振荡光部分透射的介质膜，所述的2μm输出耦合镜（12）镀有对振荡光部分透射的介质膜。
4.根据权利要求2所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器，其特征在于，所述的第一全反镜（9）和第二全反镜（10）均镀有LD泵浦光高透且振荡光高反的介质膜。
5.根据权利要求1或2所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器，其特征在于，所述的第一2μm全反镜（13）、第一2μm全反镜（15）和第二2μm全反镜（16）均镀有泵浦光高透且振荡光高反的介质膜。
6.根据权利要求1所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器，其特征在于，所述的Tm,Ho:YAP晶体（2）镀有LD泵浦光高透且振荡光高透的介质膜。
7.根据权利要求1所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器，其特征在于，所述的第二2μm全反镜（16）为曲率半径1000mm的平凹镜，所述的2μm输出耦合镜（12）为曲率半径1000mm的平凹镜，且所述的2μm输出耦合镜（12）的透过率为18%。
8.根据权利要求1所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器，其特征在于，所述的输出耦合镜（5）的透光率为2%，所述的激光二极管（21）发出的LD泵浦光的波长为795nm。
9.根据权利要求1所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器，其特征在于，所述的Tm,Ho:YAP种子激光器输出的种子光为单纵模光。
10.根据权利要求1、2、4、6、7、8或9所述的一种脉冲运转的单纵模Ho:YAP固体激光发生器，其特征在于，所述的2μm输出耦合镜（12）、第一2μm全反镜（13）、Ho:YAP晶体（14）、第一2μm全反镜（15）、第二2μm全反镜（16）和声光调Q晶体（17）构成环形腔，该环形腔的物理长度为2.7m。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131225 |