CN108107642A - 一种固体和频钠导星光谱连续激光输出装置及输出方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固体和频钠导星光谱连续激光输出装置及输出方法，属于激光和天文自适应光学技术领域，包括固体1064nm基频激光器、固体1319nm基频激光器、平面高反镜、合束镜、会聚球透镜、和频晶体、准直球透镜和分束镜，本发明采用固体1064nm基频激光器和固体1319nm基频激光器非线性和频产生589nm和频激光，同时，固体1064nm基频激光器和固体1319nm基频激光器中至少一者输出声光移频反馈光谱连续激光，促使589nm和频激光为光谱连续和频激光，能够充分激发利用所有速率的大气层钠原子，实现高亮度、高效钠导星回光，满足天文自适应光学以及白光原子冷却、气体探测等应用，此外，整个装置简单紧凑，体积小，维护方便。

Description

一种固体和频钠导星光谱连续激光输出装置及输出方法
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光谱连续激光输出装置及输出方法。
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。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。而作为激光钠导星系统的关键-高功率窄线宽钠导星激光器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。发展至今，高功率窄线宽589nm钠导星激光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特征的影响，高功率窄线宽钠导星激光只能共振激发很少一部分速率的大气层钠原子，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。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种固体和频钠导星光谱连续激光输出装置及输出方法。
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光谱连续激光输出装置，包括基频激光输出方向平行的固体1064nm基频激光器和固体1319nm基频激光器，且固体1064nm基频激光器和/或固体1319nm基频激光器输出声光移频反馈光谱连续激光；
还包括平面高反镜、合束镜、会聚球透镜、和频晶体、准直球透镜和分束镜，所述合束镜、会聚球透镜、和频晶体、准直球透镜和分束镜的中心均位于固体1064nm基频激光器输出的1064nm基频激光的传输光路上且沿着1064nm基频激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基频激光器输出的1319nm基频激光的传输光路上，且其镜面与1319nm基频激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基频激光和1319nm基频激光合束形成1064nm和1319nm基频激光。
进一步，所述固体1064nm基频激光器和固体1319nm基频激光器均输出线偏振窄线宽基频激光。
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。
进一步，所述合束镜的前镜面镀有1064nm增透膜，其后镜面镀有1064nm增透膜和1319nm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基频激光增透膜、589nm和频激光增透膜。
进一步，所述会聚球透镜和准直球透镜为平凸球透镜或双凸球透镜，且两者的前镜面和后镜面均镀有1064nm和1319nm基频激光增透膜、589nm和频激光增透膜。
进一步，所述分束镜的前镜面镀有589nm和频激光高反膜、1064nm和1319nm基频激光增透膜，其后镜面镀有1064nm和1319nm基频激光增透膜。
另，本发明还提供一种采用固体和频钠导星光谱连续激光输出装置的输出方法，包括如下步骤：
S1：固体1064nm基频激光器输出1064nm基频激光，固体1319nm基频激光器输出1319nm基频激光；
S2：1064nm基频激光透射过合束镜，1319nm基频激光经平面高反镜反射至合束镜的后镜面，1064nm基频激光和1319nm基频激光在合束镜的后镜面合束形成1064nm和1319nm基频激光；
S3：1064nm和1319nm基频激光经会聚球透镜会聚并透射后，注入和频晶体实现非线性和频转换，输出589nm和频激光、未转换的1064nm和1319nm基频激光；
S4：589nm和频激光、未转换的1064nm和1319nm基频激光经准直球透镜准直并透射后，传输至分束镜处；
S5：未转换的1064nm和1319nm基频激光经分束镜透射输出，589nm和频激光经分束镜反射输出，得到589nm光谱连续和频激光。
本发明的有益效果是：
采用固体1064nm基频激光器和固体1319nm基频激光器非线性和频产生589nm和频激光，同时，固体1064nm基频激光器和固体1319nm基频激光器中至少一者输出声光移频反馈光谱连续激光，促使589nm和频激光为光谱连续和频激光，能够充分激发利用所有速率的大气层钠原子，实现高亮度、高效钠导星回光，满足天文自适应光学以及白光原子冷却、气体探测等应用，此外，整个装置简单紧凑，体积小，维护方便。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
附图中：1-固体1064nm基频激光器、2-固体1319nm基频激光器、3-平面高反镜、4-合束镜、5-会聚球透镜、6-和频晶体、7-准直球透镜、8-分束镜、9-589nm和频激光、10-未转换的1064nm和1319nm基频激光。
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光谱连续激光输出装置，包括基频激光输出方向平行的固体1064nm基频激光器1、固体1319nm基频激光器2、平面高反镜3、合束镜4、会聚球透镜5、和频晶体6、准直球透镜7和分束镜8。其中，固体1064nm基频激光器1用于输出1064nm基频激光，固体1319nm基频激光器2用于输出1319nm基频激光，同时，固体1064nm基频激光器1和/或固体1319nm基频激光器2输出声光移频反馈光谱连续激光，也就是说，1064nm基频激光和1319nm基频激光至少一者是声光移频反馈光谱连续激光，以保证两者非线性和频产生的589nm和频激光9是光谱连续激光。此外，所述1064nm基频激光和1319nm基频激光可以是连续波或脉冲的线偏振窄线宽激光，脉冲体制可以是准连续μs长脉冲或ns短脉冲。
所述合束镜4、会聚球透镜5、和频晶体6、准直球透镜7和分束镜8的中心均位于固体1064nm基频激光器1输出的1064nm基频激光的传输光路上且沿着1064nm基频激光的传输方向依次设置，也就是说，合束镜4、会聚球透镜5、频晶体6、准直球透镜7和分束镜8的光轴与1064nm基频激光的传输光路重合。所述平面高反镜3的镜面中心位于固体1319nm基频激光器2输出的1319nm基频激光的传输光路上，且其镜面与1319nm基频激光的传输光路的夹角为45°，同时，所述合束镜4与平面高反镜3平行设置，用于将1064nm基频激光和1319nm基频激光合束形成1064nm和1319nm基频激光。
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。所述合束镜4的前镜面镀有1064nm增透膜，其后镜面镀有1064nm增透膜和1319nm高反膜。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基频激光增透膜、589nm和频激光增透膜，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。所述会聚球透镜5和准直球透镜7为平凸球透镜或双凸球透镜，且两者的前镜面和后镜面均镀有1064nm和1319nm基频激光增透膜、589nm和频激光增透膜，同时，会聚球透镜5和准直球透镜7的焦距可以根据需要设计选择，保证二者的焦距相等即可。所述分束镜8的前镜面镀有589nm和频激光高反膜、1064nm和1319nm基频激光增透膜，其后镜面镀有1064nm和1319nm基频激光增透膜。
一种针对固体和频钠导星光谱连续激光输出装置的输出方法，包括如下步骤：
S1：固体1064nm基频激光器1输出1064nm基频激光，固体1319nm基频激光器2输出1319nm基频激光；
S2：1064nm基频激光透射过合束镜4，1319nm基频激光经平面高反镜3反射至合束镜4的后镜面，1064nm基频激光和1319nm基频激光在合束镜4的后镜面合束形成1064nm和1319nm基频激光；
S3：1064nm和1319nm基频激光经会聚球透镜5会聚并透射后，注入和频晶体6实现非线性和频转换，输出589nm和频激光9、未转换的1064nm和1319nm基频激光10；
S4：589nm和频激光9、未转换的1064nm和1319nm基频激光10经准直球透镜7准直并透射后，传输至分束镜8处；
S5：未转换的1064nm和1319nm基频激光10经分束镜8透射输出，589nm和频激光9经分束镜8反射输出，得到589nm光谱连续和频激光，通过调谐固体1064nm基频激光器1、固体1319nm基频激光器2的中心波长实现589nm光谱连续和频激光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基频激光为Nd:YAG准连续百μs长脉冲光谱连续激光，其线宽为3pm，固体1319nm基频激光为传统Nd:YAG准连续多纵模激光，其线宽为3pm，平面高反镜3、合束镜4以及分束镜8的入射角均为45°，会聚球透镜5和准直球透镜7均为焦距300mm的平凸透镜，和频晶体6为KTP非线性晶体，尺寸3mm×3mm×20mm，端面切割角度为2°，输出的589nm和频激光9是光谱连续激光。
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基频激光和固体1319nm基频激光均为Nd:YAG准连续百μs长脉冲光谱连续激光，线宽均为3pm，输出的589nm和频激光9是光谱连续激光。
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基频激光为传统Nd:YAG准连续单纵模激光，其线宽为3pm，固体1319nm基频激光为Nd:YAG准连续百μs长脉冲光谱连续激光，其线宽为3pm，输出的589nm和频激光9是光谱连续激光。
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光谱连续激光输出装置，其特征在于，包括基频激光输出方向平行的固体1064nm基频激光器(1)和固体1319nm基频激光器(2)，且固体1064nm基频激光器(1)和/或固体1319nm基频激光器(2)输出声光移频反馈光谱连续激光；
还包括平面高反镜(3)、合束镜(4)、会聚球透镜(5)、和频晶体(6)、准直球透镜(7)和分束镜(8)，所述合束镜(4)、会聚球透镜(5)、和频晶体(6)、准直球透镜(7)和分束镜(8)的中心均位于固体1064nm基频激光器(1)输出的1064nm基频激光的传输光路上且沿着1064nm基频激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基频激光器(2)输出的1319nm基频激光的传输光路上，且其镜面与1319nm基频激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基频激光和1319nm基频激光合束形成1064nm和1319nm基频激光。
2.根据权利要求1所述的一种固体和频钠导星光谱连续激光输出装置，其特征在于，所述固体1064nm基频激光器(1)和固体1319nm基频激光器(2)均输出线偏振窄线宽基频激光。
3.根据权利要求2所述的一种固体和频钠导星光谱连续激光输出装置，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。
4.根据权利要求2所述的一种固体和频钠导星光谱连续激光输出装置，其特征在于，所述合束镜(4)的前镜面镀有1064nm增透膜，其后镜面镀有1064nm增透膜和1319nm高反膜。
5.根据权利要求2所述的一种固体和频钠导星光谱连续激光输出装置，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基频激光增透膜、589nm和频激光增透膜。
6.根据权利要求3-5任一所述的一种固体和频钠导星光谱连续激光输出装置，其特征在于，所述会聚球透镜(5)和准直球透镜(7)为平凸球透镜或双凸球透镜，且两者的前镜面和后镜面均镀有1064nm和1319nm基频激光增透膜、589nm和频激光增透膜。
7.根据权利要求6所述的一种固体和频钠导星光谱连续激光输出装置，其特征在于，所述分束镜(8)的前镜面镀有589nm和频激光高反膜、1064nm和1319nm基频激光增透膜，其后镜面镀有1064nm和1319nm基频激光增透膜。
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光谱连续激光输出装置的输出方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：固体1064nm基频激光器(1)输出1064nm基频激光，固体1319nm基频激光器(2)输出1319nm基频激光；
S2：1064nm基频激光透射过合束镜(4)，1319nm基频激光经平面高反镜(3)反射至合束镜(4)的后镜面，1064nm基频激光和1319nm基频激光在合束镜(4)的后镜面合束形成1064nm和1319nm基频激光；
S3：1064nm和1319nm基频激光经会聚球透镜(5)会聚并透射后，注入和频晶体(6)实现非线性和频转换，输出589nm和频激光(9)、未转换的1064nm和1319nm基频激光(10)；
S4：589nm和频激光(9)、未转换的1064nm和1319nm基频激光(10)经准直球透镜(7)准直并透射后，传输至分束镜(8)处；
S5：未转换的1064nm和1319nm基频激光(10)经分束镜(8)透射输出，589nm和频激光(9)经分束镜(8)反射输出，得到589nm光谱连续和频激光。
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