CN107482474A - 一种激光脉冲调制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光脉冲调制装置，包括：半导体激光管用于产生脉冲激光，电磁线圈用于对碱金属原子泡产生一均匀磁场，均匀磁场的磁场方向平行或垂直于光传播方向，电磁线圈中心设置通孔，可以透过激光，碱金属原子泡内部充有惰性气体，第一偏振光元件与第二偏振光元件分别位于碱金属原子泡两侧且正对碱金属原子泡，第一偏振光元件与第二偏振光元件的偏振方向互相垂直，第一偏振光元件与第二偏振光元件上镀有激光增透膜，温度控制系统对碱金属原子泡进行温度控制，输出反射镜用于实现脉冲激光输出。本发明通过在发射激光内部采用脉冲调制电磁线圈，不会改变出射激光的频率，非常适用于相干激光雷达系统。

Description

一种激光脉冲调制装置
技术领域
本发明涉及激光调制领域，特别是涉及一种激光脉冲调制装置。
背景技术
激光雷达按照探测原理的不同，可以分为直接探测激光雷达和相干激光雷达。直接探测激光雷达的回波信号接收部分探测返回光的强度，通过比较返回光与反射光的时间差，计算目标物体的距离。这种方法容易受到背景光的影响，在进行弱信号探测时性能不理想。相干激光雷达是将回波光信号与发射激光混频，得到差频信号，实现目标探测。相比而言，相干激光雷达具有更高的探测灵敏度。
直接探测激光雷达和相干激光雷达的发射激光，都需要进行脉冲调制。目前激光雷达系统中激光脉冲调制的技术方案有以下几种：
第一种，脉冲调制激光驱动器。利用脉冲信号，调制激光器的电流源，可以实现输出激光的脉冲调制。这种方案简单直接，可应用于直接探测激光雷达系统。然而，脉冲调制电流源，也会改变输出激光的频率，因此，这种方案不适用于相干激光雷达系统。
第二种，激光器外部脉冲调制。利用声光调制器或者电光调制器，当调制器的驱动信号为脉冲时，输出激光也会变成脉冲激光。这种方案即可应用于直接探测激光雷达系统，也可应用于相干激光雷达系统。与第一种方案相比，这种方案的缺点在需要外加调制部件，尤其是对多路发射激光而言，增加了系统成本，不利于集成化。
发明内容
为了克服上述现有激光器外部脉冲调制技术的不足，本发明提供一种在发射激光内部采用脉冲调制电磁线圈，不会改变出射激光的频率；另一方面，当实现脉冲激光输出时，激光的频率已稳定在原子谱线上，因此，非常适用于相干激光雷达系统。不需要额外外加调制部件，为集成化设计方案，针对多路发射激光器而言，降低系统成本。
本发明的原理是：在电磁线圈的电流驱动器加上脉冲信号，可以形成脉冲磁场，从而控制原子滤光部分的开关，实现脉冲激光的输出。
为达到上述目的，本发明提供了一种技术方案：
一种激光脉冲调制装置，包括半导体激光管、第一偏振光元件、电磁线圈、碱金属原子泡、第二偏振光元件、输出反射镜、温度控制系统，所述半导体激光管用于产生脉冲激光，所述电磁线圈用于对所述碱金属原子泡产生一均匀磁场，所述均匀磁场的磁场方向平行或垂直于光传播方向，所述电磁线圈中心设置通孔，实现可以透过激光，所述碱金属原子泡内部充有惰性气体，所述第一偏振光元件与第二偏振光元件分别位于所述碱金属原子泡两侧且正对所述碱金属原子泡，所述第一偏振光元件与第二偏振光元件的偏振方向互相垂直，所述第一偏振光元件与第二偏振光元件上镀有激光增透膜，所述温度控制系统用于对碱金属原子泡进行温度控制，所述输出反射镜用于实现脉冲激光输出。
进一步地，所述碱金属原子泡的材质为玻璃或石英。
进一步地，所述碱金属原子泡的金属为钠、铷、铯、钾中任意一种。
进一步地，所述温度控制系统包括加热部分和测温部分。利用温度控制系统，对充了惰性气体的碱金属原子泡进行恒温控制，提高了系统稳定性。
进一步地，所述加热部分是加热丝或加热芯片，加热丝或加热芯片，它们都是本技术领域里通常使用的加热元件。这个加热部分对碱金属原子泡的两端进行加热，多余热量通过碱金属原子泡的中间部分散开，保证没有碱金属原子凝结到碱金属原子泡的玻璃壁上。
进一步地，所述测温部分是热敏电阻或热电阻。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，热敏电阻是最灵敏的温度传感器，热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应非常快；热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，它的主要特点是测量精度高，性能稳定；热敏电阻或热电阻都是本技术领域里非常普遍使用的热敏元件；所述测温部分紧贴碱金属原子泡进行温度测量，以保证能够准确、及时测量温度。
进一步地，所述温度控制系统使所述碱金属原子泡的温度控制在30至120摄氏度。如果温度控制系统不能够将碱金属原子泡的温度控制在其温度范围内，则会造成透射率太低，达不到激光稳频所需的要求。
进一步地，所述激光增透膜为单层氟化镁增透膜，激光增透膜对泵浦光、基频光和拉曼光透过率大于99％。
优选地，还包括一外壳，用于固定所述第一偏振光元件、电磁线圈、碱金属原子泡、第二偏振光元件、温度控制系统和电流驱动器，用于屏蔽外界电磁干扰。外壳通过严格的尺寸、公差设计使各元件处于准确的相互位置，该外壳还能够屏蔽外界电磁干扰。
进一步地，所述电磁线圈产生的均匀磁场的强度为40高斯至1000高斯。
优选地，所述电磁线圈是螺旋线圈，所述螺旋线圈为环形体，所述螺旋线圈中间具有通孔，通孔中心处在激光传播路径上，所述半导体激光管发射的激光能从通孔穿过。
本发明有益的技术效果在于：
1.通过在发射激光内部采用脉冲调制电磁线圈，不会改变出射激光的频率；另一方面，当实现脉冲激光输出时，激光的频率已稳定在原子谱线上，因此，非常适用于相干激光雷达系统。
2.不需要额外增加调制部件，为集成化设计方案，针对多路发射激光器而言，降低系统成本。
附图说明
图1是本发明一种激光脉冲调制装置结构示意图
图中：1－半导体激光管、2－第一偏振光元件、3－电磁线圈、4－碱金属原子泡、5－第二偏振光元件、6－输出反射镜、7－温度控制系统、8－电流驱动器。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
现在结合附图对本发明实施方案一种激光脉冲调制装置作进一步的说明，如图1所示的一种激光脉冲调制装置结构示意图。
一种激光脉冲调制装置，包括半导体激光管1、第一偏振光元件2、电磁线圈3、碱金属原子泡4、第二偏振光元件5、输出反射镜6、温度控制系统7和电流驱动器8，中间横向的箭头为示意的信号光传播方向。
以上各部件功能描述如下：半导体激光管1用于产生激光，电磁线圈3产生的均匀磁场的强度优选为40高斯至1000高斯，电磁线圈3优选是螺旋线圈，螺旋线圈中间通孔，为一种激光能从其中间穿过的环形体，中心处在激光传播路径上，实现螺旋线圈中心在信号光的传播路径上，不阻挡信号光的传播。电磁线圈3的作用在于能够产生均匀磁场，使激光与金属原子发生相互作用，从而能够改变激光的偏振方向。第一偏振光元件2与第二偏振光元件5的偏振方向要互相垂直，在没有光信号与原子相互作用时，要保证没有光信号能从第二偏振光元件5出射。
碱金属原子泡4设置在螺旋线圈中间，碱金属原子泡4的材质为玻璃或石英，碱金属原子泡4的金属为钠、铷、铯、钾中任意一种，碱金属原子泡4内部充有惰性气体如氩气、氙气等，可充有不同气压的惰性气体，还可以充有不同配比成分的混合惰性气体。通过利用充有氩气或其他惰性气体的碱金属原子泡4，改变了原子与激光相互作用特性，获得单透射峰光谱。
电磁线圈在中间的碱金属原子泡4内原子所处位置产生强度均匀的沿光传播方向的静磁场或者产生强度均匀的沿光传播垂直方向的静磁场。
第一偏振光元件2与第二偏振光元件5分别位于碱金属原子泡4两侧且正对碱金属原子泡4，第一偏振光元件2与第二偏振光元件5的偏振方向互相垂直，第一偏振光元件2与第二偏振光元件5上镀有激光增透膜，激光增透膜为单层氟化镁增透膜，激光增透膜对泵浦光、基频光和拉曼光透过率大于99％。
电流驱动器8控制线圈内电流大小，正常的工作范围为0－100mA，根据要求确定合适的电流大小，以控制产生的静磁场强度大小，通过调驱动电流的大小可以改变参与光－原子相互作用的原子数目的多少。
温度控制系统7包括加热部分和测温部分，加热部分是加热丝或加热芯片，测温部分是热敏电阻或热电阻。温度控制系统7使碱金属原子泡4的温度控制在30至120摄氏度，用于稳定系统工作时碱金属原子蒸汽的温度，其加热部分对碱金属原子泡4的两端进行加热，多余热量通过碱金属原子泡4的中间部分散开，保证没有原子凝结到碱金属原子泡4的玻璃壁上；测温部分紧贴铷原子泡进行温度测量。输出反射镜6用于实现脉冲激光输出。
一种激光脉冲调制装置的使用方法，其步骤包括：
(1)利用一充有惰性气体的碱金属原子泡4、第一偏振光元件2与第二偏振光元件5、电磁线圈3和温度控制系统7组建原子滤光模块；
(2)半导体激光管1发射激光，调节第一偏振光元件2与第二偏振光元件5的偏振方向至互相垂直，对入射光进行选光；
(3)利用温度控制系统7对碱金属原子泡4进行温度控制；
(4)利用碱金属原子泡4中原子在均匀磁场中的法拉第反常色散效应对入射光进行旋光，获得单透射峰光谱；
(5)利用电流驱动器8控制电磁线圈3磁场强度；在电磁线圈的电流驱动器加上脉冲信号，可以形成脉冲磁场，从而控制原子滤光部分的开关，实现脉冲激光的输出。
优选地，本实施例还包括一外壳，用于固定第一偏振光元件2、电磁线圈3、碱金属原子泡4、第二偏振光元件5、温度控制系统7和电流驱动器8，用于屏蔽外界电磁干扰。外壳通过严格的尺寸、公差设计使各元件处于准确的相互位置，该外壳还能够屏蔽外界电磁干扰。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光脉冲调制装置，其特征在于：包括半导体激光管(1)、第一偏振光元件(2)、电磁线圈(3)、碱金属原子泡(4)、第二偏振光元件(5)、输出反射镜(6)、温度控制系统(7)和电流驱动器(8)，所述半导体激光管(1)用于发射激光，所述电磁线圈(3)用于对所述碱金属原子泡(4)产生一均匀磁场，所述均匀磁场的磁场方向平行或垂直于光传播方向，所述电磁线圈(3)中心设置通孔，可以透过激光，所述碱金属原子泡(4)内部充有惰性气体，所述第一偏振光元件(2)与第二偏振光元件(5)分别位于所述碱金属原子泡(4)两侧且正对所述碱金属原子泡(4)，所述第一偏振光元件(2)与第二偏振光元件(5)所处的平面与光传播方向垂直，所述第一偏振光元件(2)与第二偏振光元件(5)偏振方向互相垂直，所述第一偏振光元件(2)与第二偏振光元件(5)上镀有激光增透膜，所述温度控制系统(7)用于对碱金属原子泡(4)进行温度控制，所述输出反射镜(6)用于实现脉冲激光输出，所述电流驱动器(8)用于调节电流大小。
2.根据权利要求1所述的激光脉冲调制装置，其特征在于：所述碱金属原子泡(4)的材质为玻璃或石英。
3.根据权利要求1所述的激光脉冲调制装置，其特征在于：所述碱金属原子泡(4)的金属为钠、铷、铯、钾中任意一种。
4.根据权利要求1所述的激光脉冲调制装置，其特征在于：所述温度控制系统(7)包括加热部分和测温部分。
5.根据权利要求4所述的激光脉冲调制装置，其特征在于：所述加热部分是加热丝或加热芯片，所述测温部分是热敏电阻或热电阻。
6.根据权利要求1所述的激光脉冲调制装置，其特征在于：所述温度控制系统(7)使所述碱金属原子泡(4)的温度控制在30至120摄氏度。
7.根据权利要求1所述的激光脉冲调制装置，其特征在于：所述激光增透膜为单层氟化镁增透膜。
8.根据权利要求1所述的激光脉冲调制装置，其特征在于：还包括一外壳，用于固定所述第一偏振光元件(2)、电磁线圈(3)、碱金属原子泡(4)、第二偏振光元件(5)、温度控制系统(7)和电流驱动器(8)。
9.根据权利要求1所述的激光脉冲调制装置，其特征在于：所述电磁线圈(3)产生的均匀磁场的强度为40高斯至1000高斯。
10.根据权利要求1所述的激光脉冲调制装置，其特征在于：所述电磁线圈(3)是螺旋线圈，所述螺旋线圈为环形体，所述螺旋线圈中间具有通孔，所述半导体激光管(1)发射的激光能从通孔穿过。
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