CN108051973B - 一种固体和频钠导星放大自发辐射光源及和频光输出方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固体和频钠导星放大自发辐射光源及和频光输出方法，属于激光和天文自适应光学技术领域，包括固体1064nm基频光源、固体1319nm基频光源、平面高反镜、合束镜、会聚凹面高反镜、和频晶体、准直凹面高反镜和分束镜，本发明采用固体1064nm基频光源和固体1319nm基频光源非线性和频产生589nm和频光，同时，固体1064nm基频光源和固体1319nm基频光源中至少一者为放大自发辐射光源，促使589nm和频光具有光谱连续、无弛豫振荡、低相干性、输出稳定的特点，能够充分激发利用大气层钠原子、有效抑制饱和效应，实现更高亮度、更高效的钠导星回光，既满足天文自适应光学的发展需求，同时可满足白光原子冷却、气体探测等其它应用。
Description
技术领域
本发明属于激光和天文自适应光学技术领域，具体地说涉及一种固体和频钠导星放大自发辐射光源及和频光输出方法。
背景技术
随着激光技术的发展，从20世纪80年代以来，世界地基天文望远镜开始走向自适应光学望远镜时代。望远镜自适应光学校正需以观测目标附近的亮星作为导引星来获取大气造成的波前畸变信息，再通过实时反馈控制变形镜补偿该波前畸变，从而实现对导引星附近被观测目标的高分辨成像。激光导引星技术最早由美国提出，即利用高功率激光在大气层上方产生高亮度的人造导引星，从而实现对全天区目标的校正。早期使用的是激光瑞利导引星，其利用海拨10～20km大气分子对可见光如532nm波长绿激光的瑞利散射形成的，但因其高度较低、存在锥体效应，只能用于校正低层大气造成的波前畸变。而海拨80～100km大气电离层中存在丰富的钠原子，采用589nm波长黄激光共振激发这些钠原子可产生强的背向荧光辐射，称为激光钠导星。钠导星生成高度高(已接近大气顶层)、亮度高，对全程大气造成的波前畸变都能很好校正，使望远镜实现近衍射极限的高分辨率，因此，激光钠导星系统成为自适应光学望远镜的核心器件，国际上m级以上口径的天文望远镜均在竞相研发，而高功率窄线宽钠导星激光器作为激光钠导星系统的关键元件，成为国内外研究的热点。
激光钠导星最常用的激发波长是钠原子的D2谱线，其中又以吸收截面较强的超精细D2a线(589.159nm)为最佳，其次为D2b线(589.157nm)，呈现“双峰”连续光谱结构。大气层环境下，D2a线和D2b线多普勒展宽宽度均约为1GHz，整个D2线展宽宽度约3GHz。因此，钠导星激光器的中心波长精确对准D2a线时共振激发荧光回光效果最佳，且线宽应小于3GHz(约3.3pm)。发展至今，高功率窄线宽589nm钠导星激光光源的实现途径主要有染料激光直接产生、固体激光非线性频率变换和光纤激光非线性频率变换方法，其又分为连续波、连续锁模皮秒脉冲、微秒脉冲、宏微脉冲、纳秒脉冲等多种工作体制。而由于钠原子的吸收是非线性的、易产生饱和效应(D2线饱和光强约95.4W/m2)，要求激光峰值功率密度不可太高，以连续波和微秒脉冲工作体制回光效率最佳。但是，在实际应用中，受传统激光器的离散纵模光谱、时域弛豫尖峰脉冲和相干散斑光强空间分布特征的影响，高功率窄线宽钠导星激光光源共振激发大气层钠原子后产生的荧光回光效率依然受到饱和效应的制约，回光效率低，国内外还未有完整的解决方案。
发明内容
为了解决上述问题，发明人在长期实践发现：钠导星放大自发辐射(ASE)光源相较于传统的589nm钠导星激光光源，具有光谱连续、无弛豫振荡、低相干性、输出稳定的特点。发明人认为将钠导星放大自发辐射光源应用于激光和天文自适应光学技术领域具有极其重要的应用价值。为此，现提出一种固体和频钠导星放大自发辐射光源及和频光输出方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种固体和频钠导星放大自发辐射光源，包括基频光输出方向平行的固体1064nm基频光源和固体1319nm基频光源，且固体1064nm基频光源和/或固体1319nm基频光源为放大自发辐射光源；
还包括平面高反镜、合束镜、会聚凹面高反镜、和频晶体、准直凹面高反镜和分束镜，所述合束镜、会聚凹面高反镜的镜面中心均位于固体1064nm基频光源输出的1064nm基频光的传输光路上，且两者沿着1064nm基频光的传输方向依次设置，所述平面高反镜的镜面中心位于固体1319nm基频光源输出的1319nm基频光的传输光路上，且其镜面与1319nm基频光的传输光路的夹角为45°，所述合束镜与平面高反镜平行设置，用于将1064nm基频光和1319nm基频光合束形成1064nm和1319nm基频光，所述和频晶体和准直凹面高反镜均位于会聚凹面高反镜的反射光轴上，且准直凹面高反镜和会聚凹面高反镜的镜面相对设置，所述和频晶体位于会聚凹面高反镜、准直凹面高反镜之间，所述分束镜位于准直凹面高反镜的反射光轴上，且其镜面与准直凹面高反镜的反射光轴的夹角为45°。
进一步，所述固体1064nm基频光源为采用Nd:YAG、Nd:YVO4或光纤作为增益介质的线偏振窄线宽输出光源，所述固体1319nm基频光源为采用Nd:YAG作为增益介质的线偏振窄线宽输出光源。
进一步，所述固体1064nm基频光源和/或固体1319nm基频光源为非线性频率变换产生的线偏振窄线宽输出光源。
进一步，所述平面高反镜的前镜面镀有1319nm高反膜，其后镜面镀有1319nm增透膜，且前镜面与后镜面非平行设置。
进一步，所述合束镜的前镜面镀有1064nm增透膜和1319nm增透膜，其后镜面镀有1064nm增透膜和1319nm高反膜，且前镜面与后镜面非平行设置。
进一步，所述会聚凹面高反镜的前镜面镀有1064nm和1319nm基频光高反膜。
进一步，所述和频晶体为LBO、KTP、PPLN或PPLT非线性晶体，其两端面倾斜切割且两端面均镀有1064nm和1319nm基频光增透膜、589nm和频光增透膜。
进一步，所述准直凹面高反镜的镜面镀有1064nm和1319nm基频光高反膜、589nm和频光高反膜。
进一步，所述分束镜的前镜面镀有1064nm和1319nm基频光高反膜、589nm和频光增透膜，其后镜面镀有1064nm和1319nm基频光增透膜、589nm和频光增透膜，且前镜面与后镜面非平行设置。
另，本发明还提供一种采用所述的固体和频钠导星放大自发辐射光源的和频光输出方法，包括如下步骤：
S1：固体1064nm基频光源输出1064nm基频光，固体1319nm基频光源输出1319nm基频光；
S2：1064nm基频光透射过合束镜，1319nm基频光经平面高反镜反射至合束镜的后镜面，1064nm基频光和1319nm基频光在合束镜的后镜面合束形成1064nm和1319nm基频光；
S3：1064nm和1319nm基频光经会聚凹面高反镜会聚并反射后，注入和频晶体实现非线性和频转换，输出589nm和频光、未转换的1064nm和1319nm基频光；
S4：589nm和频光、未转换的1064nm和1319nm基频光经准直凹面高反镜准直并反射后，传输至分束镜处；
S5：未转换的1064nm和1319nm基频光经分束镜反射输出，589nm和频光经分束镜透射输出，即可。
本发明的有益效果是：
采用固体1064nm基频光源和固体1319nm基频光源非线性和频产生589nm和频光，同时，固体1064nm基频光源和固体1319nm基频光源中至少一者为放大自发辐射光源，促使589nm和频光具有光谱连续、无弛豫振荡、低相干性、输出稳定的特点，能够充分激发利用大气层钠原子、有效抑制饱和效应，实现更高亮度、更高效的钠导星回光，既满足天文自适应光学的发展需求，同时可满足白光原子冷却、气体探测等其它应用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是实施例二中输出的589nm和频光与传统589nm钠导星激光光源输出和频光的光谱对比图，横坐标表示频率，纵坐标表示强度。
附图中：1-固体1064nm基频光源、2-固体1319nm基频光源、3-平面高反镜、4-合束镜、5-会聚凹面高反镜、6-和频晶体、7-准直凹面高反镜、8-分束镜、9-未转换的1064nm和1319nm基频光、10-589nm和频光。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
如图1所示，一种固体和频钠导星放大自发辐射光源，包括固体1064nm基频光源1、固体1319nm基频光源2、平面高反镜3、合束镜4、会聚凹面高反镜5、和频晶体6、准直凹面高反镜7和分束镜8，其中，固体1064nm基频光源1用于输出1064nm基频光，固体1319nm基频光源2用于输出传输光路与1064nm基频光平行的1319nm基频光，且固体1064nm基频光源1、固体1319nm基频光源2中的至少一者为ASE光源。同时，所述固体1064nm基频光源1为采用Nd:YAG、Nd:YVO4或光纤作为增益介质的线偏振窄线宽输出光源，所述固体1319nm基频光源2为采用Nd:YAG作为增益介质的线偏振窄线宽输出光源。在其他一些实施例中，所述固体1064nm基频光源1和/或固体1319nm基频光源2为非线性频率变换产生的线偏振窄线宽输出光源。所述固体1064nm基频光源1、固体1319nm基频光源2可以是连续波或者脉冲波，脉冲体制可以是准连续长脉冲、ns、ps或fs短脉冲中的任意一种。
所述平面高反镜3的镜面中心位于固体1319nm基频光源2输出的1319nm基频光的传输光路上，且其镜面与1319nm基频光的传输光路的夹角为45°，所述平面高反镜3的前镜面镀有1319nm高反膜，其后镜面镀有1319nm增透膜，且前镜面与后镜面呈小角度非平行设置。
所述合束镜4、会聚凹面高反镜5的镜面中心均位于固体1064nm基频光源1输出的1064nm基频光的传输光路上，且两者沿着1064nm基频光的传输方向依次设置。其中，所述合束镜4与平面高反镜3平行设置，用于将1064nm基频光和1319nm基频光合束形成1064nm和1319nm基频光，同时，合束镜4的前镜面镀有1064nm增透膜和1319nm增透膜，其后镜面镀有1064nm增透膜和1319nm高反膜，且前镜面与后镜面呈小角度非平行设置，所述会聚凹面高反镜5的前镜面镀有1064nm和1319nm基频光高反膜，用于反射1064nm和1319nm基频形成反射光轴。
所述和频晶体6和准直凹面高反镜7均位于会聚凹面高反镜5的反射光轴上，且准直凹面高反镜7和会聚凹面高反镜5的镜面相对设置，所述和频晶体6位于会聚凹面高反镜5、准直凹面高反镜7之间。其中，所述和频晶体6为LBO、KTP、PPLN或PPLT非线性晶体，其两端面倾斜切割且两端面均镀有1064nm和1319nm基频光增透膜、589nm和频光增透膜，同时，和频晶体6置于温控炉内调节控温，以满足非线性和频的相位匹配要求。所述准直凹面高反镜7的镜面镀有1064nm和1319nm基频光高反膜、589nm和频光高反膜，用于反射未转换的1064nm和1319nm基频光、589nm和频光形成反射光轴。此外，准直凹面高反镜7和会聚凹面高反镜5的镜面曲率半径可根据1064nm和1319nm基频光直径、发散角以及和频晶体6长度进行设计选择，以实现最高效非线性转换。
所述分束镜8位于准直凹面高反镜7的反射光轴上，且其镜面与准直凹面高反镜7的反射光轴的夹角为45°。所述分束镜8的前镜面镀有1064nm和1319nm基频光高反膜、589nm和频光增透膜，其后镜面镀有1064nm和1319nm基频光增透膜、589nm和频光增透膜，且前镜面与后镜面呈小角度非平行设置。
采用固体和频钠导星放大自发辐射光源输出和频光的方法，包括如下步骤：
S1：固体1064nm基频光源1输出1064nm基频光，固体1319nm基频光源2输出1319nm基频光；
S2：1064nm基频光透射过合束镜4，1319nm基频光经平面高反镜3反射至合束镜4的后镜面，1064nm基频光和1319nm基频光在合束镜4的后镜面合束形成1064nm和1319nm基频光；
S3：1064nm和1319nm基频光经会聚凹面高反镜5会聚并反射后，注入和频晶体6实现非线性和频转换，输出589nm和频光10、未转换的1064nm和1319nm基频光9；
S4：589nm和频光10、未转换的1064nm和1319nm基频光9经准直凹面高反镜7准直并反射后，传输至分束镜8处；
S5：未转换的1064nm和1319nm基频光9经分束镜8反射输出，589nm和频光10经分束镜8透射输出，通过调谐固体1064nm基频光源1、固体1319nm基频光源2的中心波长实现固体和频钠导星ASE光源中心波长与大气层钠吸收峰的精确对准。
实施例二：
本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
固体1064nm基频光源1为Nd:YAG准连续百μs长脉冲ASE光源，其采用名称为一种基于板条角度选通多通放大超荧光光源(申请号为201611254891.9)公开的技术方案制得，其线宽为1pm。固体1319nm基频光源2为Nd:YAG准连续单纵模激光光源，其线宽为1pm。所述平面高反镜3、合束镜4以及分束镜8的入射角均为45°，且三者的前镜面与后镜面的夹角为5°，以消除可能的标准具效应。所述会聚凹面高反镜5和准直凹面高反镜7的曲率半径均为500mm，入射角为8°。所述和频晶体6为LBO非线性晶体，其尺寸3mm×3mm×20mm，端面切割角度为2°。
如图2所示，本实施例输出的589nm和频光10与传统589nm钠导星光源输出和频光的光谱对比图，其中，实线表示本实施例输出的589nm和频光10的光谱，虚线表示传统589nm钠导星激光光源输出和频光的光谱。由图中可以看出：实线为连续光谱结构，虚线为离散的多纵模光谱结构，由此可见，本实施例输出的589nm和频光10具有光谱连续、无弛豫振荡、低相干性、输出稳定的特点。
实施例三：
本实施例与实施例二相同的部分不再赘述，不同的是：
固体1064nm基频光源1、固体1319nm基频光源2均为Nd:YAG准连续百μs长脉冲ASE光源，线宽均为1pm，输出的589nm和频光10为连续光谱结构。
实施例四：
本实施例与实施例二相同的部分不再赘述，不同的是：
固体1064nm基频光源1为传统Nd:YAG准连续多纵模激光光源，其线宽为1pm，固体1319nm基频光源2为Nd:YAG准连续百μs长脉冲ASE光源，其线宽为1pm，输出的589nm和频光10为连续光谱结构。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (8)
1.一种固体和频钠导星放大自发辐射光源，其特征在于，包括基频光输出方向平行的固体1064nm基频光源(1)和固体1319nm基频光源(2)，且固体1064nm基频光源(1)和/或固体1319nm基频光源(2)为放大自发辐射光源；
还包括平面高反镜(3)、合束镜(4)、会聚凹面高反镜(5)、和频晶体(6)、准直凹面高反镜(7)和分束镜(8)，所述合束镜(4)、会聚凹面高反镜(5)的镜面中心均位于固体1064nm基频光源(1)输出的1064nm基频光的传输光路上，且两者沿着1064nm基频光的传输方向依次设置，所述平面高反镜(3)的镜面中心位于固体1319nm基频光源(2)输出的1319nm基频光的传输光路上，且其镜面与1319nm基频光的传输光路的夹角为45°，所述合束镜(4)与平面高反镜(3)平行设置，用于将1064nm基频光和1319nm基频光合束形成1064nm和1319nm基频光，所述合束镜(4)的前镜面镀有1064nm增透膜和1319nm增透膜，其后镜面镀有1064nm增透膜和1319nm高反膜，且前镜面与后镜面非平行设置，所述和频晶体(6)和准直凹面高反镜(7)均位于会聚凹面高反镜(5)的反射光轴上，且准直凹面高反镜(7)和会聚凹面高反镜(5)的镜面相对设置，所述会聚凹面高反镜(5)的前镜面镀有1064nm和1319nm基频光高反膜，所述和频晶体(6)位于会聚凹面高反镜(5)、准直凹面高反镜(7)之间，所述分束镜(8)位于准直凹面高反镜(7)的反射光轴上，且其镜面与准直凹面高反镜(7)的反射光轴的夹角为45°；
1064nm和1319nm基频光经会聚凹面高反镜(5)会聚并反射后，注入和频晶体(6)实现非线性和频转换，输出589nm和频光(10)、未转换的1064nm和1319nm基频光(9)，589nm和频光(10)、未转换的1064nm和1319nm基频光(9)经准直凹面高反镜(7)准直并反射后，传输至分束镜(8)处，未转换的1064nm和1319nm基频光(9)经分束镜(8)反射输出，589nm和频光(10)经分束镜(8)透射输出。
2.根据权利要求1所述的一种固体和频钠导星放大自发辐射光源，其特征在于，所述固体1064nm基频光源(1)为采用Nd:YAG、Nd:YVO4或光纤作为增益介质的线偏振窄线宽输出光源，所述固体1319nm基频光源(2)为采用Nd:YAG作为增益介质的线偏振窄线宽输出光源。
3.根据权利要求1所述的一种固体和频钠导星放大自发辐射光源，其特征在于，所述固体1064nm基频光源(1)和/或固体1319nm基频光源(2)为非线性频率变换产生的线偏振窄线宽输出光源。
4.根据权利要求2或3所述的一种固体和频钠导星放大自发辐射光源，其特征在于，所述平面高反镜(3)的前镜面镀有1319nm高反膜，其后镜面镀有1319nm增透膜，且前镜面与后镜面非平行设置。
5.根据权利要求4所述的一种固体和频钠导星放大自发辐射光源，其特征在于，所述和频晶体(6)为LBO、KTP、PPLN或PPLT非线性晶体，其两端面倾斜切割且两端面均镀有1064nm和1319nm基频光增透膜、589nm和频光增透膜。
6.根据权利要求5所述的一种固体和频钠导星放大自发辐射光源，其特征在于，所述准直凹面高反镜(7)的镜面镀有1064nm和1319nm基频光高反膜、589nm和频光高反膜。
7.根据权利要求6所述的一种固体和频钠导星放大自发辐射光源，其特征在于，所述分束镜(8)的前镜面镀有1064nm和1319nm基频光高反膜、589nm和频光增透膜，其后镜面镀有1064nm和1319nm基频光增透膜、589nm和频光增透膜，且前镜面与后镜面非平行设置。
8.一种采用如权利要求1-7任意一项所述的固体和频钠导星放大自发辐射光源的和频光输出方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：固体1064nm基频光源(1)输出1064nm基频光，固体1319nm基频光源(2)输出1319nm基频光；
S2：1064nm基频光透射过合束镜(4)，1319nm基频光经平面高反镜(3)反射至合束镜(4)的后镜面，1064nm基频光和1319nm基频光在合束镜(4)的后镜面合束形成1064nm和1319nm基频光；
S3：1064nm和1319nm基频光经会聚凹面高反镜(5)会聚并反射后，注入和频晶体(6)实现非线性和频转换，输出589nm和频光(10)、未转换的1064nm和1319nm基频光(9)；
S4：589nm和频光(10)、未转换的1064nm和1319nm基频光(9)经准直凹面高反镜(7)准直并反射后，传输至分束镜(8)处；
S5：未转换的1064nm和1319nm基频光(9)经分束镜(8)反射输出，589nm和频光(10)经分束镜(8)透射输出，即可。
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