CN108155550B - 一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器，环形振荡器中的种子激光和振荡激光两次经过固定在压电陶瓷的第一全反镜，相比于种子激光和振荡激光只经过一次固定在压电陶瓷的第一全反镜的情况，在进行相同长度的光程调节时，压电陶瓷的伸缩距离能够减少一半，从而降低了满足压电陶瓷运动行程的电压，进而提高了压电陶瓷的扫描频率，即加快了压电陶瓷的扫描时间，则环形振荡器可获得重复频率更高的激光输出。

Description

一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器

技术领域

本发明属于激光设备技术领域，尤其涉及一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器。

背景技术

在相干测风激光雷达的应用中，增加激光脉冲的重复频率可以减小雷达扫描视场的时间，提高雷达的测量精度，使之能够更加实时地对风速进行测量。注入锁定单频脉冲激光器可以作为上述激光雷达的激光光源。在注入锁定过程中，单频脉冲激光器的重复频率与压电陶瓷扫描一个周期的时间有关，扫描时间越快，扫描频率越高，则通过注入锁定之后激光器可获得的重复频率越高。

然而现有技术中压电陶瓷的扫描频率难以满足使激光器重复频率更高的要求，因此需要提供一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器，环形振荡器中形成的振荡激光两次通过固定在压电陶瓷的第一全反镜，缩短了压电陶瓷调节光程的伸缩距离，使得环形振荡器可获得更高频率的激光输出。

一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器，包括主激光器模块、从激光器模块以及注入锁定伺服模块；

所述从激光器模块包括输出镜、泵浦单元以及相对放置的第一全反镜和第二全反镜；所述注入锁定伺服模块包括压电陶瓷和电学控制系统；所述第一全反镜固定在压电陶瓷上；

所述主激光器模块发出种子激光；所述种子激光通过输出镜入射到第一全反镜，第一全反镜将种子激光反射到第二全反镜，第二全反镜将种子激光再次反射回第一全反镜，使得种子激光两次经过第一全反镜；第一全反镜将反射回的种子激光反射到泵浦单元；所述泵浦单元用于提供泵浦光和增益，使得种子激光在由从激光器模块构成的谐振腔中形成激光振荡，最终振荡激光通过输出镜输出所述环形振荡器外；

所述电学控制系统通过控制压电陶瓷的伸缩来改变第一全反镜和第二全反镜之间的距离，从而改变种子激光在从激光器模块中的光程，使得输出的振荡激光为所需波长。

可选地，所述主激光器模块包括单频窄线宽激光器、光隔离器、二分之一波片以及第一变换透镜；

所述单频窄线宽激光器发出的种子激光依次经过光隔离器、二分之一波片以及第一变换透镜入射到所述输出镜。

可选地，所述泵浦单元包括第三全反镜、增益介质、第四全反镜、第二变换透镜及泵浦源；

所述第一全反镜将反射回的种子激光反射到第三全反镜上，第三全反镜将种子激光反射到增益介质的一端，所述泵浦源发射的泵浦光依次通过第二变换透镜和第四全反镜入射到增益介质的另一端，使得种子激光在从激光器模块中形成激光振荡；振荡激光从第四全反镜入射到所述输出镜后分成反射光和透射光，所述反射光经过输出镜反射又重新入射到第一全反镜，进入下一个振荡周期；所述透射光作为最终的输出激光经过输出镜输出到所述环形振荡器外。

可选地，所述注入锁定伺服模块还包括谐振信号探测器；

所述谐振信号探测器位于第三全反镜后，用于将探测到的谐振信号输入到电学控制系统中。

有益效果：

本申请提供的环形振荡器中，种子激光和振荡激光两次经过固定在压电陶瓷的第一全反镜，相比于种子激光和振荡激光只经过一次固定在压电陶瓷的第一全反镜的情况，在进行相同长度的光程调节时，压电陶瓷的伸缩距离能够减少一半，从而降低了满足压电陶瓷运动行程的电压，进而提高了压电陶瓷的扫描频率，即加快了压电陶瓷的扫描时间，则环形振荡器可获得重复频率更高的激光输出；

本申请提供的环形振荡器能够应用于相干测风激光雷达中，由于本申请的环形振荡器的激光脉冲的重复频率高，能够减小相干测风激光雷达扫描视场的时间，提高相干测风激光雷达的测量精度，使之能够更加实时地对风速进行测量。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器的结构示意图；

1-单频窄线宽激光器、2-第一变换透镜、3-光隔离器、4-二分之一波片，5-输出镜、6-声光Q开关、7-第一全反镜、8-压电陶瓷、9-第二全反镜、10-第三全反镜、11-增益介质、12-第四全反镜、13-第二变换透镜、14-泵浦源、15-谐振信号探测器、16-电学控制系统。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器的结构示意图。

一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器，包括主激光器模块、从激光器模块以及注入锁定伺服模块；

所述从激光器模块包括输出镜5、泵浦单元以及相对放置的第一全反镜7和第二全反镜9；所述注入锁定伺服模块包括压电陶瓷8和电学控制系统16；所述第一全反镜7固定在压电陶瓷8上；

所述主激光器模块发出种子激光；所述种子激光通过所述输出镜5入射到所述第一全反镜7，第一全反镜7将种子激光反射到第二全反镜9，第二全反镜9将种子激光再次反射到第一全反镜7，第一全反镜7将反射回的种子激光反射到所述泵浦单元；所述泵浦单元用于提供泵浦光和增益，使得种子激光在由从激光器模块构成的谐振腔中形成激光振荡，最终振荡激光通过所述输出镜5输出所述环形振荡器外；

所述电学控制系统通过控制压电陶瓷的伸缩来改变第一全反镜和第二全反镜之间的距离，从而改变种子激光在从激光器模块中的光程，使得输出的振荡激光为所需波长。

需要说明的是，所述谐振腔由输出镜5、第一全反镜7、第二全反镜9以及泵浦单元构成；种子激光在谐振器中形成激光振荡，当激光振荡的增益大于谐振器的损耗时，振荡激光通过所述输出镜5输出所述环形振荡器外。

本申请实施例的环形振荡器工作原理为：

由于压电陶瓷8在电压信号作用下能够进行长度伸缩，因此可用于调节光程。根据压电陶瓷8的功率表达式：P_a＝fCU²，其中P_a为压电陶瓷8的平均功率，U为满足压电陶瓷8运动行程的所需电压，C为压电陶瓷8的电容，f为压电陶瓷8的扫描频率。在进行相同长度的光程调节时，本申请实施例的种子激光和振荡激光两次经过固定在压电陶瓷8上的第一全反镜7，相比于种子激光和振荡激光只经过一次固定在压电陶瓷8上的第一全反镜7的情况，压电陶瓷8的伸缩距离能够减少一半。

例如，需要将种子激光的光程延长1mm，在种子激光只经过一次装载第一全反镜7的压电陶瓷8时，压电陶瓷8需缩短1mm，而种子激光两次经过装载第一全反镜7的压电陶瓷8时，压电陶瓷8仅需所述0.5mm，即可实现1mm的光程延长。

而压电陶瓷8的运动行程与其加载电压成正比，由于本申请实施例提供的环形振荡器缩短的压电陶瓷8的运动行程，从而降低了满足压电陶瓷8运动行程的电压U；由于电压U降低，在压电陶瓷8平均功率P_a及电容C一定的情况下，则压电陶瓷8的扫描频率f将提高。而环形振荡器的重复频率与压电陶瓷8扫描一个周期的时间有关，扫描时间越快，通过注入锁定之后环形振荡器可获得的重复频率越高。因此提高压电陶瓷8的扫描频率f，可以获得更高重复频率的激光输出。

需要说明的是，在不考虑环形振荡器小型化的情况下，在其他实施方式中，除了通过第二全反镜9提供一个反射面外，还可以包括其他全反镜，提供两个及以上的反射面，使得种子激光三次或三次以上经过装载第一全反镜7的压电陶瓷8，进一步缩短压电陶瓷8的运动行程，本申请实施例对此不作赘述。

实施例二

基于实施例一，本申请实施例提供另一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器。参见图2，该图为本申请实施例提供的另一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器的结构示意图。

所述主激光模块包括单频窄线宽激光器1、光隔离器3、二分之一波片4以及第一变换透镜2；所述从激光器模块还包括声光Q开关6；所述泵浦单元包括第三全反镜10、增益介质11、第四全反镜12、第二变换透镜13及泵浦源14；所述注入锁定伺服模块还包括谐振信号探测器15；

所述单频窄线宽激光器1发出的种子激光依次经过光隔离器3、二分之一波片4以及第一变换透镜2入射到所述输出镜5上。其中，所述光隔离器3用于对种子激光的入射方向进行限制，只允许种子激光从光隔离器3的入射面通过，而无法从出射面反向传输，以防止种子激光通过从激光器模块的反射后又进入所述单频窄线宽激光器1，对单频窄线宽激光器1造成损坏；所述二分之一波片4用于调节种子激光的偏振态，不同偏振态注入到从激光器模块中最终会获得不同的激光输出；所述第一变换透镜2用于聚光。

所述输出镜5将入射的种子激光透射到声光Q开关6上，声光Q开关6将种子激光透射到所述第一全反镜7。第一全反镜7将种子激光反射到第二全反镜9，第二全反镜9将种子激光再次反射到第一全反镜7，使得种子激光两次经过第一全反镜7，所述第一全反镜7将反射回的种子激光反射到泵浦单元中的第三全反镜10上，第三全反镜10将种子激光反射到增益介质11的一端，所述泵浦源14发射的泵浦光依次通过第二变换透镜13和第四全反镜12入射到增益介质11的另一端，使得种子激光在从激光器模块中形成激光振荡；振荡激光从第四全反镜12入射到所述输出镜5后分成反射光和透射光，所述反射光经过输出镜5反射到声光Q开关6上后，又重新入射到第一全反镜7，进入下一个振荡周期；所述透射光作为最终的输出激光经过输出镜5输出到所述环形振荡器外。由此可见，第一全反镜7、第二全反镜9、第三全反镜10、增益介质11、第四全反镜12、输出镜5以及声光Q开关6构成了蝶型环形腔结构。

可选的，所述增益介质11的两个端面均镀有对泵浦光和振荡激光高透的介质膜。所述第一全反镜7、第二全反镜9、第三全反镜10以及第四全反镜12的反射面镀有对泵浦光高透、对振荡激光高反的介质膜。所述输出镜5在种子激光的出射面镀有对振荡激光部分透射的介质膜。

所述谐振信号探测器15位于第三全反镜10后，用于将探测到的谐振信号输入到所述电学控制系统16中；所述电学控制系统16的控制信号输出端连接声光Q开关6，用于在所述谐振信号超过设定值时打开声光Q开关6，其中所述声光Q开关6打开后，将连续的振荡激光变换为脉冲激光；所述电学控制系统16的电压信号输出端连接压电陶瓷8，用于调节加载在压电陶瓷8上的电压，以控制压电陶瓷8的伸缩来改变第一全反镜7和第二全反镜9之间的距离，从而改变种子激光在从激光器模块中的光程，使得输出的振荡激光为所需波长。

需要说明的是，本申请提供的环形振荡器中，在谐振信号超过设定值时打开声光Q开关6，将连续的振荡激光变换为脉冲激光，进而脉冲激光经过输出镜5输出到所述环形振荡器外，实现高重复频率注入锁定单频脉冲输出。

需要说明的是，本申请实施例的环形振荡器可选择不同的泵浦源14和增益介质11来获取不同的所需波长。例如，如需获得1645nm的单频脉冲激光输出，则增益介质11为Er:YAG，泵浦波长为1470nm；如需获得2090nm的单频脉冲激光输出，则增益介质11为Ho:YAG，泵浦波长为1908nm。

需要说明的是，当所述谐振信号超过设定值时，可以通过电学控制系统16保持加载在压电陶瓷8上的电压不变，从而固定压电陶瓷8的伸缩距离进而保持种子激光在从激光器模块的光程不变，也就是说，从激光器模块形成的谐振腔的腔长不变，则使得本申请实施例的环形振荡器输出的是单频脉冲激光。

需要说明的是，由于从激光器模块会有很少的振荡激光从第三全反镜10漏出，因此谐振信号探测器15位于第三全反镜10后也可以探测到振荡激光的谐振信号。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种可获得高重复频率注入锁定单频脉冲的环形振荡器，其特征在于，包括主激光器模块、从激光器模块以及注入锁定伺服模块；

所述从激光器模块包括输出镜、泵浦单元以及相对放置的第一全反镜和第二全反镜；所述注入锁定伺服模块包括压电陶瓷和电学控制系统；所述第一全反镜固定在压电陶瓷上；

所述主激光器模块发出种子激光；所述种子激光通过输出镜入射到第一全反镜，第一全反镜将种子激光反射到第二全反镜，第二全反镜将种子激光再次反射回第一全反镜，使得种子激光两次经过第一全反镜；或者，所述从激光器模块还包括其他全反镜，使得所述种子激光三次或三次以上经过所述第一全反镜；

第一全反镜将反射回的种子激光反射到泵浦单元；所述泵浦单元用于提供泵浦光和增益，使得种子激光在由从激光器模块构成的谐振腔中形成激光振荡，最终振荡激光通过输出镜输出所述环形振荡器外；

所述电学控制系统通过控制压电陶瓷的伸缩来改变第一全反镜和第二全反镜之间，或者改变第一全反镜和第二全反镜以及所述其他全反镜之间的距离，从而改变种子激光在从激光器模块中的光程，使得输出的振荡激光为所需波长。

2.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述主激光器模块包括单频窄线宽激光器、光隔离器、二分之一波片以及第一变换透镜；

所述单频窄线宽激光器发出的种子激光依次经过光隔离器、二分之一波片以及第一变换透镜入射到所述输出镜。

3.如权利要求1所述的环形振荡器，其特征在于，所述泵浦单元包括第三全反镜、增益介质、第四全反镜、第二变换透镜及泵浦源；

所述第一全反镜将反射回的种子激光反射到第三全反镜上，第三全反镜将种子激光反射到增益介质的一端，所述泵浦源发射的泵浦光依次通过第二变换透镜和第四全反镜入射到增益介质的另一端，使得种子激光在从激光器模块中形成激光振荡；振荡激光从第四全反镜入射到所述输出镜后分成反射光和透射光，所述反射光经过输出镜又重新入射到第一全反镜，进入下一个振荡周期；所述透射光作为最终的输出激光经过输出镜输出到所述环形振荡器外。

4.如权利要求3所述的环形振荡器，其特征在于，所述注入锁定伺服模块还包括谐振信号探测器；

所述谐振信号探测器位于第三全反镜后，用于将探测到的谐振信号输入到电学控制系统中。