CN105161961A - 一种高脉冲能量微脉冲激光雷达光源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，包括：由振荡级和放大级构成，放大级的光路与振荡级的光路同轴；振荡级通过采用双路调Q开关补偿激光器的热退偏损耗，将双路输出利用单独的放大级分别进行放大后再合束，最终达到补偿热退偏并进行能量放大的功能；所述振荡级由全反射镜、激光晶体棒、2个介质膜起偏器、2个Pockels盒和2片输出耦合镜构成依次放置在光路中，2个介质膜起偏器以布儒斯特角放置，其他元件的入射面均相互平行放置，激光晶体棒两端面相互平行。本发明既能补偿热退偏对输出能量的损耗，还能将输出能量进行进一步放大，在转换效率、脉冲能量和光束质量上都比现有技术有很大的提升，提升微脉冲激光雷达的探测距离和探测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，属于微脉冲激光雷达技术领域。
背景技术
微脉冲激光雷达凭借其体积小、单位时间内回波信号频率高等优势在大气探测等领域有着重要的应用。作为雷达光源的激光器工作在高重复频率、高泵浦功率下时，激光棒内产生的热沉积会导致棒截面内的折射率呈现非均匀分布，产生热致双折射。热致双折射会导致通过激光棒的线偏振光产生热退偏效应，而使得发生退偏的光束在通过起偏器时被反射出谐振腔外，从而对输出能量和光束质量造成严重的影响。由于热退偏效应的限制，使得微脉冲雷达的激光器光源输出脉冲能量小，难以实现更大距离和更高精度的探测。为了进一步提高探测距离和探测精度，需要具有高脉冲能量、高重复频率的激光器作为光源。因此，迫切需要解决高重频激光器脉冲能量低的问题，获得高脉冲能量的激光输出必须补偿热退偏效应造成的损耗，同时还需要对输出激光进行能量放大，以获得微脉冲激光雷达所需的高光束质量、高脉冲能量的激光光源。
发明内容
本发明要解决的技术问题：为提高微脉冲激光雷达光源的脉冲能量，提供一种高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，能够补偿电光调Q激光器热退偏损耗并对输出脉冲能量进行放大。
本发明技术解决方案：一种高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，包括：由振荡级和放大级构成，放大级的光路与振荡级的光路同轴；所述激光器振荡级在普通调Q激光器振荡级的基础上，利用被起偏器反射出谐振腔的另一束光构成一个谐振之路，使原本溢出的激光能够进行振荡从而补偿热退偏损耗。振荡级通过采用双路调Q开关补偿激光器的热退偏损耗，将双路输出利用单独的放大级分别进行放大后再合束，最终达到补偿热退偏并进行能量放大的功能；所述振荡级由全反射镜、激光晶体棒、2个介质膜起偏器、2个Pockels盒和2片和输出耦合镜构成依次放置在光路中，2个介质膜起偏器以布儒斯特角放置，其他元件的入射面均相互平行放置，激光晶体棒两端面相互平行；被全反射镜反射的激光通过激光晶体棒后发生热退偏，退偏后的激光在通过两个介质膜起偏器时，水平偏振光透过第一介质膜起偏器，退偏产生的垂直偏振光被反射，反射后的垂直偏振光被与第一介质膜起偏器平行放置的第一介质膜起偏器反射后与振荡光路平行，退偏后的激光能够被反射并形成激光振荡；之后有各有一个Pockels盒用于电光调Q调制，再通过输出耦合镜输出以获得短脉冲输出，在放大级后端分别放置另两个布儒斯特角放置的介质膜起偏器，用于将放大后的两束激光合为一束。
所述激光器放大级由两路构成，每一路由一根放大级激光晶体棒构成，分别对激光器振荡级输出的两束激光进行放大。
所述全反射镜的基片采用K9玻璃、熔石英、白宝石或氟化钙材料，镀有1064nm全反射膜，反射率大于99.9％。
所述激光晶体棒为Nd:YAG激光棒，采用圆柱形结构设计或立方体结构设计，两端面抛光镀有1064nm增透膜。
所述激光晶体棒的材料采用Nd玻璃、Nd:YLF、Nd:YVO4的材料。
所述介质膜起偏器基片采用K9玻璃、用熔石英、白宝石或氟化钙，镀有1064nm偏振分束膜，对水平偏振光即p光高透射率，垂直偏振光即s光高反射率。
所述Pockels盒由电光晶体和电极构成，电光晶体设计为立方体结构，通光面抛光并镀有1064nm增透膜，与通光面垂直的一对平行面镀金并与电极接触，电压设计为四分之一波电压，Pockels盒上施加四分之一波电压后能够使来回通过它的线偏振光的偏振方向偏转90°。
所述光电晶体的材料采用铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、beta相偏硼酸钡(BBO)、磷酸二氢钾(KDP)、磷酸钛氧钾(KTP)、硅酸镓镧(LGS)或磷酸钛氧铷(RTP)。
所述输出耦合镜对1064nm波长激光具有部分透射部分反射的作用，使激光从输出耦合镜输出，输出耦合镜的基片可采用K9玻璃、熔石英、白宝石、氟化钙，镀有1064nm反射率为10-80％的反射膜。
本发明相对于现有技术的有益效果是，在热退偏效应严重的高重频激光器中，本发明既能补偿热退偏对输出能量的损耗，还能将输出能量进行进一步放大，在转换效率、脉冲能量和光束质量上都比现有技术有很大的提升。可以弥补现有微脉冲激光雷达光源面临的不足之处，提升微脉冲激光雷达的探测距离和探测精度。
附图说明
图1是本发明的一种基本结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的工作方式作进一步详细的描述。
如图1所示，本发明高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，包括：由振荡级和放大级构成，放大级的光路与振荡级的光路同轴；振荡级通过采用双路调Q补偿激光器的热退偏损耗，将双路输出利用单独的放大级分别进行放大后再合束，最终达到补偿热退偏并进行能量放大的功能。
谐振腔由全反射镜1、激光晶体棒(Nd:YAG)2、介质膜起偏器3和4、Pockels盒5和6、耦合输出镜7和8构成。上述光学元器件中，介质膜起偏器3和4以布儒斯特角放置，其他元件的入射面均相互平行放置。全反射镜1镀有1064nm全反射介质膜，所述激光晶体棒2两端面相互平行，并镀有1064nm增透膜。所述介质膜起偏器对水平偏振光高透，对垂直偏振光高反射。Pockels盒上施加四分之一波电压后能够使来回通过它的线偏振光的偏振方向偏转90°。耦合输出镜7、8对1064nm波长激光具有部分透射部分反射的作用，使激光从输出耦合镜输出。
振荡器在高泵浦能量下工作时，由于Nd:YAG激光晶体棒内大量的热沉积，导致晶体棒截面内的折射率由中心至边缘呈现非均匀分布的特征。线偏振激光通过激光棒后偏振方向与原来的偏振方向相比发生改变，即热退偏。被全反射镜1反射的激光通过激光晶体棒2后发生热退偏，退偏后的激光在通过所述介质膜起偏器3时，水平偏振光透过介质膜起偏器3，退偏产生的垂直偏振光被反射，反射后的垂直偏振光被与起偏器3平行放置的起偏器4反射后与振荡级光路平行，形成激光振荡。由于退偏后的激光能够被之路反射并形成激光振荡，从而实现了对热退偏损耗的补偿，而两束相互平行的激光输出，为下一步激光放大与合束提供了方便。
当激光器工作在调Q状态时，在Pockels盒上施加四分之一波电压后，来回通过它的线偏振光到达起偏器后偏振方向旋转了90°。此时之路的激光为水平偏振光，将透过介质膜起偏器4；而主路的激光为垂直偏振光，将被介质膜起偏器3反射，两个振荡光路上的激光都不能回到激光棒2，无法形成激光振荡。此时Q开关处于关闭状态。当快速撤掉Pockels盒上的电压后，通过它的激光偏振方向不改变，将沿原路返回，从而形成激光振荡，产生激光输出，此时Q开关处于打开状态。
从输出耦合镜7输出的激光为水平偏振光，进入到第一放大级激光晶体棒9进行能量放大，放大后将透过以布儒斯特角放置的介质膜片13，有两块直角棱镜构成的光楔11用于调节光程，使上下两路激光脉冲同时到达介质膜片13。光楔由对1064nm激光高透的材料构成，通光面全部镀有1064nm增透膜。从输出耦合镜8输出的激光为垂直偏振光，进入到第二放大级激光晶体棒10进行能量放大后，被以布儒斯特角放置的介质膜片12反射到介质膜片13上，两束激光合为一束。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (9)
1.一种高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，其特征在于包括：由振荡级和放大级构成，放大级的光路与振荡级的光路同轴；所述振荡级由全反射镜、激光晶体棒、2个介质膜起偏器、2个Pockels盒和2片输出耦合镜构成，全反射镜、激光晶体棒、2个介质膜起偏器、2个Pockels盒、2片输出耦合镜和放大级依次放置在光路中，2个介质膜起偏器以布儒斯特角放置，其他元件的入射面均相互平行放置，激光晶体棒两端面相互平行；被全反射镜反射的激光通过激光晶体棒后发生热退偏，退偏后的激光在通过第一介质膜起偏器时，水平偏振光透过第一介质膜起偏器，退偏产生的垂直偏振光被反射，反射后的垂直偏振光被与第一介质膜起偏器平行放置的第二介质膜起偏器反射后与振荡光路平行，退偏后的激光能够被反射并形成激光振荡输出；之后有各有一个Pockels盒用于电光调Q调制，再通过输出耦合镜输出以获得短脉冲输出，在放大级后端分别放置另两个布儒斯特角放置的介质膜起偏器，用于将放大后的两束激光合为一束。
2.根据权利要求1所述的高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，其特征在于：所述激光器放大级由两路构成，每一路由一根放大级激光晶体棒构成，分别对激光器振荡级输出的两束激光进行放大。
3.根据权利要求1所述的高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，其特征在于：所述全反射镜的基片采用K9玻璃、熔石英、白宝石或氟化钙材料，镀有1064nm全反射膜，反射率大于99.9％。
4.根据权利要求1所述的高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，其特征在于：所述激光晶体棒为Nd:YAG激光棒，采用圆柱形结构设计或立方体结构设计，两端面抛光镀有1064nm增透膜。
5.根据权利要求1所述的高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，其特征在于：所述激光晶体棒的材料可采用Nd玻璃、Nd:YLF、Nd:YVO4的材料。
6.根据权利要求1所述的高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，其特征在于：所述介质膜起偏器基片采用K9玻璃、熔石英、白宝石或氟化钙，镀有1064nm偏振分束膜，对水平偏振光即p光高透射率，垂直偏振光即s光高反射率。
7.根据权利要求1所述的高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，其特征在于：所述Pockels盒由电光晶体和电极构成，电光晶体设计为立方体结构，通光面抛光并镀有1064nm增透膜，与通光面垂直的一对平行面镀金并与电极接触，电压设计为四分之一波电压，Pockels盒上施加四分之一波电压后能够使来回通过它的线偏振光的偏振方向偏转90°。
8.根据权利要求7所述的高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，其特征在于：所述电光晶体的材料采用铌酸锂(LN)、LT、BBO、KDP、KTP、LGS或RTP。
9.根据权利要求1所述的高脉冲能量微脉冲激光雷达光源，其特征在于：所述输出耦合镜对1064nm波长激光具有部分透射部分反射的作用，使激光从输出耦合镜输出，输出耦合镜的基片采用K9玻璃、熔石英、白宝石、氟化钙，镀有1064nm反射率为10-80％的反射膜。
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