CN104466640A - 一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统，该系统包括：两个连续光纤激光器、法拉第隔离器、偏振控制器、保偏波分复用器、保偏光纤、周期极化铌酸锂波导、多模光纤与滤光片；两个连续光纤激光器的波长分别为1319nm和1064nm，其出射的线偏振光经单模光纤射入保偏波分复用器合并后，由保偏光纤引导进入周期极化铌酸锂波导；周期极化铌酸锂波导和频后的信号光经多模光纤进入滤光片，由滤光片进行过滤，输出用于钠激光雷达的589nm种子光。通过采用本发明公开的系统，极大的提高了信号光输出功率，从而提高了钠雷达的环境适应性和工作稳定性。

Description

一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统。

背景技术

中高层大气温度和风场是描述中高层大气特性的重要参数，对研究中高层大气潮汐波、重力波、行星尺度波以及波与波之间的相互作用，中高层大气环流和温度结构具有非常重要意义。在中间层顶70km～120km高度区域，金属荧光激光雷达是进行温度和风场探测的重要手段。自70年代末以来，针对钠荧光雷达技术国内外研究工作者开展了大量理论和实验研究。

1979年英国的Gibson和Thomas对中高层钠原子谱线结构进行了研究，同时实现了钠层温度的测量，在钠层中钠原子密度最大高度附近温度测量误差±15K。

1985年Fricke和von Zahn利用准分子泵浦染料激光器实现了，在10min时间分辨率和1km距离分辨率下，精度为5K的温度探测。

1990年美国科罗拉多州立大学的She研究组和伊利诺伊大学的Gardner研究组合作，研制了利用双频技术的高光谱分辨率窄带系统，并于1991年至2002年对中间层顶(80-105km)进行了一系列的温度和风场观测。之后科罗拉多大学与ALOMAR(Arctic LidarObservatory for Middle Atmosphere Research)等合作研制了多台钠激光雷达。科罗拉多州立大学的激光雷达总体性能和技术指标代表了当今国际高光谱分辨率钠激光雷达的最高水平。

国内方面，中科院武汉物理与数学研究所在1996年建立了宽带钠层荧光激光雷达用于探测钠原子数密度。而后在2004年和2007年进行了两次改造，最终实现了双波长观测和钠层24小时连续观测。

2004年底，中国科学技术大学与安徽光学精密机械研究所合作建成一台米-瑞利-钠荧光双波长激光雷达。其发射系统由脉冲Nd:YAG(钇铝石榴石晶体)激光器和脉冲燃料激光器组成，工作波长为532nm和589nm。其中589nm通道用于钠原子数密度的观测。

2011年初，中国科学院空间科学与应用研究中心研制了一台窄带钠激光雷达，可发射三种频率的激光：分别为589.158nm，及对该波长调制+630MHz和-630MHz后的两个波长。该钠激光雷达使得国内首次探测中间层顶大气温度和风场成为可能。

钠激光雷达的设计和研发中，最具有挑战的部分是产生钠原子共振的589nm激光。目前的589nm激光器包括以下几种：染料激光器，拉曼激光器与双波长和频激光器。其中，染料激光器能够直接发射589nm激光，是目前大多数钠激光雷达系统中使用的种子光激光器，但是染料激光器有功率低、安全性差、染料易退化、能量消耗高、性能不稳定和激光循环冷却系统复杂等缺点，这些缺点使染料激光器在许多环境下不适用。拉曼激光器基于受激拉曼散射效应，能够得到固体激光器不能直接发射的波长，具体有将红外光频移后利用非线性晶体倍频与将532nm绿色激光直接频移两种方法，但是拉曼激光器有较高的泵浦阈值，泵浦光功率高达十瓦甚至百瓦量级，转换效率低，是制约其发展的重要因素。双波长和频激光器通过晶体的非线性和频效应，将两束红外激光转化为黄光波段的激光，和频的方式主要有腔内和频与腔外和频；而腔外和频方法受限于较低的基频激光功率密度，输出的信号光功率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统，极大的提高了信号光输出功率，从而提高了钠雷达的环境适应性和工作稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统，该系统包括：两个连续光纤激光器、法拉第隔离器、偏振控制器、保偏波分复用器、保偏光纤、周期极化铌酸锂波导、多模光纤与滤光片；

两个连续光纤激光器的波长分别为1319nm和1064nm，其出射的线偏振光经单模光纤射入保偏波分复用器合并后，由保偏光纤引导进入周期极化铌酸锂波导；周期极化铌酸锂波导和频后的信号光经多模光纤进入滤光片，由滤光片进行过滤，输出用于钠激光雷达的589nm种子光。

进一步的，所述两个连续光纤激光器、周期极化铌酸锂波导、法拉第隔离器、偏振控制器、保偏波分复用器、单模光纤、多模光纤与保偏光纤均搭配全光纤结构，构成了模块化的全光纤光路。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用了两个连续激光器，其出射光通过波分复用器合成一束光经多模光纤入射周期极化铌酸锂波导后和频，再经过滤后输出用于钠激光雷达种子光；该种子光系统采用全光纤光路，具有体积小，重量轻和结构稳定的优点；采用的周期极化铌酸锂波导长度达5cm，极化宽度为微米量级，理论转化效率大于99％，极大提高了信号光输出功率；并且采用单通和频方法，带宽易于控制，锁频过程简单，从而提高了钠雷达的环境适应性和工作稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的包含该种子光系统的钠雷达系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

用于测温测风的钠激光雷达系统(钠测温测风激光雷达系统)主要利用钠原子的超精细光谱谱线结构来测量中间层顶区域的大气温度和大气风场。在积分时间内，假设钠原子和中性大气充分混合，那么利用光谱谱线强度随温度和中性大气风速的变化关系，可以根据探测的回波信号反演大气温度和风速。

钠原子超精细结构考虑了电子自旋和钠原子核自旋的影响，原子核和电子之间的相互作用使得能级分裂成超精细结构。钠激光雷达利用D₂谱线分离出的D_2a和D_2b两种谱线共六条离散分立的共振荧光谱线。但是实际中，由于各种不同加宽机理的作用，钠原子的光谱是连续的，其中最主要的是多普勒增宽。多普勒增宽由钠原子的随机热运动引起，主要和温度有关。

综合考虑钠原子的随机热运动和中性风多普勒频移的影响，钠原子的每条荧光光谱谱线可由高斯线型表示为：

$g_n(\mathrm{\ν},T,V)={\left(\frac{D}{\mathrm{\πT}}\right)}^{1/2}\exp \left[\frac{-D{(\mathrm{\ν}-{\mathrm{\ν}}_n-V/{\mathrm{\λ}}_0)}^2}{T}\right];$

式中T为绝对温度，ν_n为谱线中心频率(钠原子超精细结构中6个独立频率的其中一个)，λ₀为D_2a跃迁谱线中心(589.158nm)。钠原子的D₂谱线的线型可通过相加6条跃迁谱线的线型函数得到，其最终形式为：

$g(\mathrm{\ν},T,V)={\left(\frac{D}{\mathrm{\πT}}\right)}^{1/2}\underset{n=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{S}_n\exp \left[\frac{-D{(\mathrm{\ν}-{\mathrm{\ν}}_n-V/{\mathrm{\λ}}_0)}^2}{T}\right]=\underset{n=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{S}_n{g}_n(\mathrm{\ν},T,V);$

式中 $g_n(\mathrm{\ν},T,V)={\left(\frac{D}{\mathrm{\πT}}\right)}^{1/2}\exp \left[\frac{-D{(\mathrm{\ν}-{\mathrm{\ν}}_n-V/{\mathrm{\λ}}_0)}^2}{T}\right],D=\frac{m{\mathrm{\λ}}_0^2}{2k_B}=497.8825\mathrm{Kn}{s}^2,$ S_n为相对线强，即每个激发态能跃迁到基态能级的爱因斯坦系数。

在高光谱分辨钠测温测风激光雷达系统中，我们无需扫描整个钠荧光光谱结构。为了测量温度和风速，钠测温测风激光雷达系统需要发射三个频率的激光，分别为D_2a峰值频率ν₀，两个侧翼频率ν₊＝ν₀+630MHz和ν_-＝ν₀-630MHz，通过接收这三个频率的后向散射回波光子数来计算温度和风速。

在目前的大多数钠激光雷达系统中，发射机所采用的光源为环形染料激光器。随着钠激光雷达对环境适应性的要求提高，液体染料激光器的缺点开始暴露出来。液体染料激光器中，染料一般溶于有机溶液，溶液的搬运和存贮困难；而且有些激光染料还很难溶于基体溶液，要求基体溶液能循环流动。实际应用中，染料溶液经常需要存贮和清除，而有毒易挥发易爆的危险溶液会给操作员带来很多困难。另外，染料溶液的连续循环使系统结构过于繁杂，体积十分庞大。本发明目的在于，利用周期极化铌酸锂(Periodically poled lithium niobate)波导，将波长分别为1064nm和1319nm的连续单模红外激光通过单通和频的方法产生连续单模可调的589nm激光。系统采用了两个连续单频二极管泵浦Nd:YAG红外光纤激光器。窄带频率稳定的两道红外光通过波分复用器合成一束光经多模光纤入射周期极化铌酸锂波导后和频，出射589nm信号光。该种子光系统采用全光纤光路，具有体积小，重量轻和结构稳定的优点；采用的周期极化铌酸锂波导长度达5cm，极化宽度为微米量级，理论转化效率大于99％；并且采用单通和频方法，带宽易于控制，锁频过程简单，提高了钠雷达的环境适应性和工作稳定性。下面结合实施例对本发明做详细的介绍。

实施例

图1为本发明实施例提供的一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统的示意图。如图1所示，该系统主要包括：

两个连续光纤激光器(记为1与5)、保偏波分复用器9、保偏光纤10、周期极化铌酸锂波导11、多模光纤12与滤光片13；

两个连续光纤激光器出射的线偏振光经保偏波分复用器9合并后，由保偏光纤10引导进入周期极化铌酸锂波导11；周期极化铌酸锂波导11和频后的信号光经多模光纤12进入滤光片13，由滤光片13进行过滤，输出用于钠激光雷达的种子光。

进一步的，该系统还包括：

两个连续光纤激光器与保偏波分复用器9之间分别设置的单模光纤(记为2与6)、法拉第隔离器(记为3与7)与偏振控制器(记为4与8)；

两个连续光纤激光器出射的线偏振光分别经单模光纤进入法拉第隔离器隔离，再经过偏振控制器调制偏振态后进入保偏波分复用器合并。

进一步的，所述两个连续光纤激光器分别为1319nm和1064nm的Nd:YAG连续激光器，且为窄带超稳频激光器。

进一步的，周期极化铌酸锂波导11和频后的信号光为589nm信号光和闲频光，经多模光纤12进入滤光片13，由滤光片13过滤掉闲频光，输出589nm信号光作为用于钠激光雷达的种子光。

进一步的，所述两个连续光纤激光器、周期极化铌酸锂波导、法拉第隔离器、偏振控制器、保偏波分复用器、单模光纤、多模光纤与保偏光纤均搭配全光纤结构，构成了模块化的全光纤光路。

本发明实施例中，所使用的两个连续光纤激光器为二极管泵浦Nd:YAG连续光纤激光器，且为窄带、超稳定激光器，其具有高品质基模和低噪声的特点；激光器可通过调节YAG温度或者通过压电陶瓷改变环形腔的腔长进行调频，满足锁频要求。在光路中加入法拉第隔离器可以防止光路中反射的激光返回损坏激光器。三环偏振控制器配合保偏波分复用器能够精确调节入射波导的泵浦光的偏振状态，达到最高转化效率；另外，本发明实施例所采用周期极化铌酸锂波导周期极化长度超过5cm，极化宽度为微米量级，工艺水平顶尖，对信号光的转化效率超过99％，保证了较大的输出功率。从波导出射的混合光由589nm滤光片13滤光，输出589nm信号光作为用于钠激光雷达的种子光进入如图2所示钠激光雷达的下一级系统。

如图2所示为包含前述种子光系统的钠雷达系统结构示意图。图2中部件1-13即为前述的种子光系统，除了包含前述的种子光系统外，还包括发射机系统与接收系统；其中，发射机系统包括：声光调制器14，脉冲染料放大器15，Nd:YAG 532nm脉冲泵浦激光器16，反射镜17，激光扩束器18；接收系统包括牛顿反射式望远镜19，单模光纤20，斩波器和滤光片21，光电倍增管22，采集卡23和计算机24。

其工作流程如下：种子光系统输出的589nm信号光进入声光调制器14，声光调制器14调制出三个频率的激光，进入脉冲染料放大器15增大功率，其中放大器的泵浦源为Nd:YAG 532nm脉冲泵浦激光器16。泵浦后的589nm激光由反射镜17调整方向后经过激光扩束器18，调整发散角后进入大气层。牛顿反射式望远镜19接收大气后向散射信号，并将信号耦合进光纤20，再光纤将信号导入斩波器和滤光片21；斩波器能将信号中低空大气反射部分拦截，剩余信号经滤光片后进入光电倍增管22。光信号经光电倍增管22后转化为电信号，采集卡再将电信号转化为数字信号输入计算机24进行处理。

本发明实施例中采用了两个连续激光器，其出射光通过波分复用器合成一束光经多模光纤入射周期极化铌酸锂波导后和频，再经过滤后输出用于钠激光雷达种子光；该种子光系统采用全光纤光路，具有体积小，重量轻和结构稳定的优点；采用的周期极化铌酸锂波导长度达5cm，极化宽度为微米量级，理论转化效率大于99％，极大提高了信号光输出功率；并且采用单通和频方法，带宽易于控制，锁频过程简单，从而提高了钠雷达的环境适应性和工作稳定性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统，其特征在于，该系统包括：两个连续光纤激光器、法拉第隔离器、偏振控制器、保偏波分复用器、保偏光纤、周期极化铌酸锂波导、多模光纤与滤光片；

两个连续光纤激光器的波长分别为1319nm和1064nm，其出射的线偏振光经单模光纤射入保偏波分复用器合并后，由保偏光纤引导进入周期极化铌酸锂波导；周期极化铌酸锂波导和频后的信号光经多模光纤进入滤光片，由滤光片进行过滤，输出用于钠激光雷达的589nm种子光。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述两个连续光纤激光器、周期极化铌酸锂波导、法拉第隔离器、偏振控制器、保偏波分复用器、单模光纤、多模光纤与保偏光纤均搭配全光纤结构，构成了模块化的全光纤光路。