CN106299997B - 一种适用于产生多色钠导星的固体激光源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于产生多色钠导星的固体激光源，该装置包括：半导体泵浦光源，用于发出泵浦光，所述泵浦光为脉冲光，所述脉冲光的重频为200Hz～1kHz，脉宽为80μs～300μs；激光振荡器，用于对所述半导体泵浦光源发出的泵浦光振荡产生第一波长的激光；二倍频模块，用于将所述第一波长的激光转换为第二波长的激光，所述第二波长小于所述第一波长且大于330nm；四倍频模块，用于将所述第二波长的激光转换为330nm的激光。由于输出的单个脉冲中，前部分具有较高的峰值功率，在大气传输中呈现非线性衰减效应，使大气对该330nm激光的衰减减弱。且，后部分具有适当的平均功率，匹配大气钠层中的钠原子密度，产生较高的光子回波数。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其是涉及一种适用于产生多色钠导星的固体激光源。
背景技术
大型地基望远镜对天体等空间目标进行观测时，大气湍流等扰动将极大地降低成像分辨率。采用自适应光学技术可以对这些扰动因素进行校正，使望远镜达到近衍射极限分辨率。自适应光学校正需要有导引星(称为信标)，以之发射的光信号波前为标准，通过测量该波前通过大气产生的相位畸变来获得误差信号，从而实现对观测目标的成像校正。589nm激光为目前国际上常用的单色钠信标激光源。相比于单色信标导星，多色信标导星可用于自适应光学系统校正大气倾斜像差，这对提高大型地基天文望远镜的分辨率有重要作用。
1995年，有人提出了利用589&569nm双光子激发方案来产生多色信标导星。Na原子通过330nm单光子与569&589nm双光子激发的能级跃迁如图1所示。还有人列举了两种方案对比下的优缺点，其中，双光子激发的缺点：需要569&589nm两个高功率窄线宽的激光源、技术难度大，系统结构复杂；单光子激发的优点：激光源的技术复杂度相对较小，激光系统简单，回波光子数效率高。因此，330nm激光是多色钠信标的理想光源。
然而，330nm激光相对于589nm激光，在大气中的衰减更为严重。大气对于激光的衰减主要包括吸收和散射两部分。在0～1km和10～12km高度上，常见波长的激光水平传输时，中纬度夏季分子吸收系数为2.52×10-4/km@337nm，5.07×10-2/km@694nm。大气对光束的散射包含分子散射和微粒散射。在悬浮颗粒很少的高空或是紫外光波段，光波长远大于散射粒子尺寸，产生的瑞利散射与被散射光波长的四次幂成反比，与分子密度成正比。波长越短分子散射越强，反之亦然。标准大气下分子散射系数典型值为1.446×10-1@300nm，1.716×10-2@500nm[大气介质对激光传输的影响，安然，西安工程大学硕士学位论文，2013，p9]。
当激光束的强度很低时，它与物质作用时不会引起物质特性状态的明显改变，激光与物质的作用过程主要是如上所述的被物质吸收、散射和反射。但是，当激光能量高到一定程度时，强激光会引起大气特性变化，从而使得大气对激光的衰减呈现出非线性特性。例如，当激光的强度提高到103W/cm2的量级时，它与物质的相互作用就开始引起物质宏观状态发生变化，如气体的温升、膨胀，对于固体还有熔融和气化现象；当激光强度进一步提高到109W/cm2量级时，它与气体相互作用时会发生气体击穿现象，与固体相互作用时会在固体表面形成高密度的等离子体。
近十几年来，超高功率激光得到了长足的发展，当这种激光与物质作用时，又会发生一些新奇的现象，如隧道效应、多光子电离和超闭值电离等。众所周知，激光特别是强激光，也就是高能激光在大气中传输时，大气与激光相互作用将产生一系列效应。
由于钠层的钠原子密度有限，钠信标激光源的峰功率过高会使其达到饱和，一般来讲，需激光具有较高的平均功率。综上考虑，可以在单个脉冲中，前部分具有较高的峰值功率，在大气传输中呈现非线性衰减效应，使得大气对该波长激光的衰减减弱，同时，让脉冲宽度大于大气扰动的恢复时间，后部分具有高的平均功率，匹配大气钠层中钠原子密度，产生较高的光子回波数。
发明内容
针对以上缺陷，本发明提供一种适用于产生多色钠导星的固体激光源，可以产生330nm激光，适用于多色钠导星。
第一方面，本发明提供的适用于产生多色钠导星的固体激光源包括半导体泵浦光源、与所述半导体泵浦光源的泵浦双棒连接的激光振荡器、与所述激光振荡器的输出端连接的二倍频模块及与所述二倍频模块的输出端连接的四倍频模块，其中：
所述半导体泵浦光源用于发出泵浦光，所述泵浦光为脉冲光，所述脉冲光的重频为200Hz～1kHz，脉宽为80μs～300μs；
所述激光振荡器用于对所述半导体泵浦光源发出的泵浦光振荡产生第一波长的激光；
所述二倍频模块用于将所述第一波长的激光转换为第二波长的激光，所述第二波长小于所述第一波长且大于330nm；
所述四倍频模块用于将所述第二波长的激光转换为330nm的激光。
可选的，所述重频为800Hz，所述脉宽为120μs。
可选的，所述激光振荡器包括谐振腔及设置在所述谐振腔内的侧泵激光头，其中：
所述侧泵激光头包括侧面泵浦掺钕钇铝石榴石激光晶体，所述侧面泵浦掺钕钇铝石榴石激光晶体的一端面设置有所述第一波长的激光的增透膜，另一端面设置有第三波长的激光的增透膜；所述第三波长小于所述第一波长且大于所述第二波长；
所述谐振腔包括输入端的高反镜和输出端的耦合镜，所述高反镜上设置有所述第一波长的激光的高反膜，所述耦出镜上设置有使所述第一波长的激光部分透过的膜。
可选的，所述二倍频模块包括：第一晶体夹持装置及设置于所述第一晶体夹持装置内的二倍频晶体；其中：
所述二倍频晶体的一端面设置有所述第一波长的激光的高透膜，另一端面设置有所述第二波长的激光的高透膜，所述另一端面对应所述二倍频模块的输出端；
所述适用于产生多色钠导星的固体激光源还包括设置在所述激光振荡器和所述二倍频模块之间的第一整形镜，所述第一整形镜用于对所述激光振荡器输出的所述第一波长的激光进行聚焦或缩聚。
可选的，所述二倍频晶体为三硼酸锂晶体，该三硼酸锂晶体的切割角为(0°，0°)，尺寸为4×4×40mm3。
可选的，所述四倍频模块包括：第二晶体夹持装置及设置于所述第二晶体夹持装置内的四倍频晶体，其中：
所述四倍频晶体的一端面设置有所述第二波长的激光的高透膜，另一端面设置有330nm的激光的高透膜。
可选的，所述四倍频晶体为三硼酸锂晶体，该三硼酸锂晶体的切割角为(90°，49.7°)，尺寸为4×4×40mm3。
可选的，所述装置还包括设置在所述二倍频模块和所述四倍频模块之间的第二整形镜，所述第二整形镜用于对所述二倍频模块输出的所述第二波长的激光进行聚焦或缩束。
可选的，所述装置还包括设置在所述二倍频模块和所述四倍频模块之间的第一分束镜，所述第一分束镜用于对所述二倍频模块输出的激光中所述第二波长的激光与掺杂的所述第一波长的激光分开，并使所述第二波长的激光进入所述四倍频模块；和/或，所述装置还包括设置在所述四倍频模块的输出端的第二分束镜，所述第二分束镜用于将所述四倍频模块输出的激光中掺杂的第二波长的激光和330nm激光分离，得到330nm激光。
可选的，所述装置还包括设置在所述激光振荡器和所述二倍频模块之间的激光放大器；对应的，所述半导体泵浦光源包括振荡级泵浦光源和与所述振荡级泵浦光源同步的放大器泵浦光源，所述振荡级泵浦光源的输出端与激光振荡器输入端连接，放大器泵浦光源的输出端与激光放大器的输入端连接。
本发明提供的适用于产生多色钠导星的固体激光源，首先利用半导体泵浦光源和激光振荡器产生第一波长的激光，然后利用二倍频模块将第一波长的激光转换为第二波长的激光，然后利用四倍频模块将第二波长的激光转换为330nm的激光，从而得到330nm的激光。同时，由于在输出的单个脉冲中，前部分具有较高的峰值功率，在大气传输中呈现非线性衰减效应，使得大气对该330nm激光的衰减减弱。同时，后部分具有适当的平均功率，匹配大气钠层中的钠原子密度，产生较高的光子回波数。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1示出了本发明另一实施例中Na原子通过330nm单光子与569&589nm双光子激发的能量跃迁示意图；
图2示出了本发明一实施例中适用于产生多色钠导星的固体激光源的结构示意图；
图3示出了本发明又一实施例中固定激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
本发明提供一种适用于产生多色钠导星的固体激光源，如图2所示，该装置包括：半导体泵浦光源、与半导体泵浦光源的泵浦双棒连接的激光振荡器、与激光振荡器的输出端连接的二倍频模块及与二倍频模块的输出端连接的四倍频模块，其中：
所述半导体泵浦光源用于发出泵浦光，所述泵浦光为脉冲光，所述脉冲光的重频为200Hz～1kHz，脉宽为80μs～300μs；
所述激光振荡器用于对所述半导体泵浦光源发出的泵浦光振荡产生第一波长的激光；
所述二倍频模块用于将所述第一波长的激光转换为第二波长的激光，所述第二波长小于所述第一波长且大于330nm；
所述四倍频模块用于将所述第二波长的激光转换为330nm的激光。
本发明提供的适用于产生多色钠导星的固体激光源，首先利用半导体泵浦光源和激光振荡器产生第一波长的激光，然后利用二倍频模块将第一波长的激光转换为第二波长的激光，然后利用四倍频模块将第二波长的激光转换为330nm的激光，从而得到330nm的激光。同时，由于在输出的单个脉冲中，前部分具有较高的峰值功率，在大气传输中呈现非线性衰减效应，使得大气对该330nm激光的衰减减弱。同时，后部分具有适当的平均功率，匹配大气钠层中的钠原子密度，产生较高的光子回波数。
在具体实施时，半导体泵浦光源产生的泵浦光的重频优选为800HZ，脉宽优选为120us。由于泵浦光为脉冲光，因此在单个脉冲中前部分由于激光松弛现象产生多个脉冲尖峰，之后当反转粒子数达到平衡后，脉冲后部分为连续激光输出。
可理解的是，半导体泵浦光源为半导体光源，将其对准激光振荡器中的激光晶体进行泵浦，便得到第一波长的激光。
在具体实施时，激光振荡器可以采用多种形式实现，其中一种形式为：激光振荡器包括谐振腔及设置在谐振腔内的侧泵激光头，其中：
侧泵激光头包括侧面泵浦掺钕钇铝石榴石激光晶体，侧面泵浦掺钕钇铝石榴石激光晶体的一端面设置有第一波长的激光的增透膜，另一端面设置有第三波长的激光的增透膜；第三波长小于第一波长且大于第二波长；
谐振腔包括输入端的高反镜和输出端的耦合镜，高反镜上设置有第一波长的激光的高反膜，耦出镜上设置有使第一波长的激光部分透过的膜。
其中，第三波长可以但不限于1064nm。
可理解的是，掺钕钇铝石榴石激光晶体即Nd：YAG激光晶体，该晶体的掺杂浓度可以为0.8at.％，尺寸为φ3×60mm3。
在具体实施时，第一波长可以但不限于为1319nm，第二波长可以但不限于660nm。
在具体实施时，二倍频模块可以采用多种形式实现，其中一种形式为：二倍频模块包括第一晶体夹持装置及设置于第一晶体夹持装置内的二倍频晶体；其中：
二倍频晶体的一端面设置有第一波长的激光的高透膜，另一端面设置有第二波长的激光的高透膜，另一端面对应二倍频模块的输出端。
这里，第一晶体夹持装置的作用是对二倍频晶体夹持、固定。
在具体实施时，还可以在激光振荡器和二倍频模块之间设置第一整形镜，第一整形镜用于对激光振荡器输出的第一波长的激光进行聚焦或缩聚，以使更多的第二波长的激光进入四倍频模块。
其中，二倍频晶体可以为Ⅱ类临界相位匹配的三硼酸锂晶体，切割角可以为(0°，0°)，尺寸可以为4×4×40mm3。
在具体实施时，四倍频模块可以采用多种形式实现，其中一种形式为：四倍频模块包括第二晶体夹持装置、设置于第二晶体夹持装置内的四倍频晶体，其中：
四倍频晶体的一端面设置有第二波长的激光的高透膜(以下称为第一高透膜)，另一端面设置有330nm的激光的高透膜(以下称第二高透膜)。
这样，第二波长的激光从四倍频晶体设置有第一高透膜的一端进入四倍频晶体，然后从设置有第二高透膜的一端输出。
其中，第二晶体夹持装置的作用是对四倍频晶体夹持、固定。
其中，四倍频晶体可以采用三硼酸锂晶体即LBO晶体，该晶体是一种非线性光学晶体，其切割角可以但不限于(90°，49.7°)，尺寸可以但不限于4×4×40mm3。
在具体实施时，还可以在二倍频模块和四倍频模块之间设置第二整形镜，第二整形镜用于对二倍频模块输出的第二波长的激光进行聚焦或缩束，以使更多的第二波长的激光进入四倍频模块。
由于即便采用二倍频模块将第一波长的激光转换为第二波长的激光，但是二倍频模块输出的激光中仍然缠在有部分未转换的第一波长的激光，因此可以在二倍频模块和四倍频模块之间设置第一分束镜，第一分束镜用于对二倍频模块输出的激光中第二波长的激光与掺杂的第一波长的激光分开，并使第二波长的激光进入四倍频模块，从而实现将第一波长的激光滤除。
可理解的是，由于输入四倍频模块的第二波长的激光未必全部被转换为330nm的激光，因此还可以在四倍频模块的输出端设置第二分束镜，这样的话，可以将第二波长的激光和330nm的激光分离，从而得到纯度较高的330nm激光。
可理解的是，当同时设置第二整形镜和第一分束镜时，第二整形镜和第一分束镜之间没有先后顺序。
在具体实施时，还可以参考图3在激光振荡器和二倍频模块之间设置一激光放大器，以对激光振荡器输出的第一波长的激光进行放大。
其中，激光放大器可以但不限于采用侧泵激光头，此时，所述半导体泵浦光源包括振荡级泵浦光源和与所述振荡级泵浦光源同步的放大器泵浦光源，所述振荡级泵浦光源的输出端与激光振荡器输入端连接，放大器泵浦光源的输出端与激光放大器的输入端连接。从而使激光放大器可实现高效激光放大。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种适用于产生多色钠导星的固体激光源，其特征在于，包括半导体泵浦光源、与所述半导体泵浦光源的泵浦双棒连接的激光振荡器、与所述激光振荡器的输出端连接的二倍频模块及与所述二倍频模块的输出端连接的四倍频模块，其中：
所述半导体泵浦光源用于发出泵浦光，所述泵浦光为脉冲光，所述脉冲光的重频为200Hz～1kHz，脉宽为80μs～300μs；
所述激光振荡器用于对所述半导体泵浦光源发出的泵浦光振荡产生第一波长的激光；
所述二倍频模块用于将所述第一波长的激光转换为第二波长的激光，所述第二波长小于所述第一波长且大于330nm；
所述四倍频模块用于将所述第二波长的激光转换为330nm的激光。
2.根据权利要求1所述的固体激光源，其特征在于，所述重频为800Hz，所述脉宽为120μs。
3.根据权利要求1所述的固体激光源，其特征在于，所述激光振荡器包括谐振腔及设置在所述谐振腔内的侧泵激光头，其中：
所述侧泵激光头包括侧面泵浦掺钕钇铝石榴石激光晶体，所述侧面泵浦掺钕钇铝石榴石激光晶体的一端面设置有所述第一波长的激光的增透膜，另一端面设置有第三波长的激光的增透膜；所述第三波长小于所述第一波长且大于所述第二波长；
所述谐振腔包括输入端的高反镜和输出端的耦合镜，所述高反镜上设置有所述第一波长的激光的高反膜，所述耦合镜上设置有使所述第一波长的激光部分透过的膜。
4.根据权利要求1所述的固体激光源，其特征在于，所述二倍频模块包括：第一晶体夹持装置及设置于所述第一晶体夹持装置内的二倍频晶体；其中：
所述二倍频晶体的一端面设置有所述第一波长的激光的高透膜，另一端面设置有所述第二波长的激光的高透膜，所述另一端面对应所述二倍频模块的输出端；
所述一种适用于产生多色钠导星的固体激光源还包括设置在所述激光振荡器和所述二倍频模块之间的第一整形镜，所述第一整形镜用于对所述激光振荡器输出的所述第一波长的激光进行聚焦或缩聚。
5.根据权利要求4所述的固体激光源，其特征在于，所述二倍频晶体为三硼酸锂晶体，该三硼酸锂晶体的切割角为(0°，0°)，尺寸为4×4×40mm3。
6.根据权利要求1所述的固体激光源，其特征在于，所述四倍频模块包括：第二晶体夹持装置及设置于所述第二晶体夹持装置内的四倍频晶体，其中：
所述四倍频晶体的一端面设置有所述第二波长的激光的高透膜，另一端面设置有330nm的激光的高透膜。
7.根据权利要求6所述的固体激光源，其特征在于，所述四倍频晶体为三硼酸锂晶体，该三硼酸锂晶体的切割角为(90°，49.7°)，尺寸为4×4×40mm3。
8.根据权利要求1所述的固体激光源，其特征在于，还包括设置在所述二倍频模块和所述四倍频模块之间的第二整形镜，所述第二整形镜用于对所述二倍频模块输出的所述第二波长的激光进行聚焦或缩束。
9.根据权利要求1所述的固体激光源，其特征在于，还包括设置在所述二倍频模块和所述四倍频模块之间的第一分束镜，所述第一分束镜用于对所述二倍频模块输出的激光中所述第二波长的激光与掺杂的所述第一波长的激光分开，并使所述第二波长的激光进入所述四倍频模块；和/或，还包括设置在所述四倍频模块的输出端的第二分束镜，所述第二分束镜用于将所述四倍频模块输出的激光中掺杂的第二波长的激光和330nm激光分离，得到330nm激光。
10.根据权利要求1所述的固体激光源，其特征在于，还包括设置在所述激光振荡器和所述二倍频模块之间的激光放大器；对应的，所述半导体泵浦光源包括振荡级泵浦光源和与所述振荡级泵浦光源同步的放大器泵浦光源，所述振荡级泵浦光源的输出端与激光振荡器输入端连接，放大器泵浦光源的输出端与激光放大器的输入端连接。
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| "短波紫外278nm和281nm全固态激光研究";杨峰 等;《红外与激光工程》;20121231;3212页 * |
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