CN108183388A - 时域调制型碱金属蒸气激光放大器 - Google Patents

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王浟
蒋志刚
蔡和
安国斐
韩聚洪
刘晓旭
张伟
王宏元
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Abstract

本发明公开了一种时域调制型碱金属蒸气激光放大器，其包括：沿光路方向同轴布置的半导体激光种子源(1)、聚焦透镜(2)、隔离器(3)、偏振光入射棱镜(5)、碱金属蒸气腔(7)，半导体激光泵浦源(4)位于偏振光入射棱镜(5)一侧，半导体激光种子源(1)发出的激光束依次经过聚焦透镜(2)、隔离器(3)、偏振光入射棱镜(5)后进入碱金属蒸气腔(7)，与此同时，采用半导体激光泵浦源(4)对碱金属蒸气腔(7)进行泵浦。本发明利用碱金属蒸气介质上能级寿命短的特性，实现时域快速调制型激光信号的定标放大。同时可以保证放大后的激光信号畸变率与失真率均较小。

Description

时域调制型碱金属蒸气激光放大器
技术领域
本发明属于碱金属蒸气激光放大器领域，涉及一种时域调制型碱金属蒸气激光放大器。
背景技术
DPAL是一种典型的三能级激光器，其主要增益介质为钾、铷和铯蒸气。这三种增益介质具有相似的原子能级结构，如图1所示。处于基态n2S1/2的碱金属原子的电子受到半导体激光器的泵浦激发而跃迁到第三能级n2P3/2上；然后，处于第三能级n2P3/2的电子弛豫到第二能级n2P1/2，这一过程需要加入烷烃类缓冲气体(如甲烷和乙烷等)来加快弛豫速率；最后，处于第二能级n2P1/2的电子受激辐射跃迁到基态n2S1/2，并发出激光。
由于DPAL的饱和增益很大，因此采用主振荡功率放大器(Master OscillatorPower Amplifier,MOPA)对其进行定标放大是一种较为理想的工程手段。主振荡器的作用是产生高质量的种子光，通常种子激光功率相对较小并且在时域调制时能保持良好的光束质量。放大器的作用是对种子激光进行放大，放大激光在保持种子光脉冲特性和光束质量的同时，输出功率较种子光大幅提升。因此，采用MOPA的结构不仅可以实现高功率、高能量的激光输出，而且可以保证输出激光具有较好的光束质量。目前比较主流的激光MOPA包括半导体激光放大器、半导体激光泵浦固体激光放大器、光纤激光放大器和准分子激光放大器。
当种子信号为快速调制型LD激光信号时，采用上述放大器对其放大时存在着一些不可回避的缺陷，例如：半导体激光器光束传播因子不好，远场光束质量较差，难以实现远距离传输；固体激光器与光纤激光器的上能级寿命较长，这会导致放大信号出现严重的失真与畸变；准分子激光器虽然上能级寿命很短，但是其发射光谱位于紫外区域，紫外光在大气中的传输损耗非常高，不能用于远距离传输。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种时域调制型碱金属蒸气激光放大器，解决高频调制时域激光信号放大困难且放大信号严重失真的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种时域调制型碱金属蒸气激光放大器，其包括：沿光路方向同轴布置的半导体激光种子源1、聚焦透镜2、隔离器3、偏振光入射棱镜5、碱金属蒸气腔7，半导体激光泵浦源4位于偏振光入射棱镜5一侧，半导体激光种子源1发出的激光束依次经过聚焦透镜2、隔离器3、偏振光入射棱镜5后进入碱金属蒸气腔7，与此同时，采用半导体激光泵浦源4对碱金属蒸气腔7进行泵浦。
其中，所述碱金属蒸气腔7内充入碱金属增益介质和缓冲气体。
其中，所述缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷、丙烷或者为上述气体的混合气体。
其中，所述碱金属蒸气腔7的两个端面镀有增透膜。
其中，还包括：温控加热系统6，用于对碱金属蒸气腔7加热。
其中，所述温控加热系统6包括热能转换器和控制电路，热能转换器紧贴碱金属蒸气腔7的外表面，控制电路实现对热能转换器的温度控制。
其中，所述热能转换器和碱金属蒸气腔7之间设置有热沉。
其中，所述半导体激光种子源1发出的种子光经偏振光入射棱镜5投射，半导体激光泵浦源4发出的泵浦光经偏振光入射棱镜5反射，偏振光入射棱镜5将种子光与泵浦光耦合入碱金属蒸气腔7内；隔离器3用于防止种子激光反射回半导体激光种子源1中。
其中，所述半导体激光种子源1采用可调谐的半导体激光器。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的时域调制型碱金属蒸气激光放大器，具有以下有益效果：
(1)本发明采用MOPA结构，获得的高能量脉冲激光与种子激光光源的波长和重复频率相同,而且时域脉冲的形状和宽度的变化都很小。
(2)本发明利用碱金属增益介质饱和增益高的特点，具有较高的放大率。
(3)本发明利用碱金属原子上能级寿命短的特性，能实现激光上能级的快速储能，可以保证放大后的激光信号畸变和失真较小。
附图说明
图1是碱金属原子能级结构图。
图2是时域调制型碱金属蒸气激光放大器的光路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为了解决时域快速调制型LD激光信号难以实现高增益、低失真放大的问题，本发明提出一种时域调制型碱金属蒸气激光放大器，这种放大器采用碱金属蒸气介质作为增益介质，称为半导体泵浦碱金属蒸气激光放大器。
相比传统的激光MOPA，半导体泵浦碱金属蒸气激光放大器具备许多独特的优点，例如斯托克斯效率高、光-光转换效率较高、上能级寿命短、热效应小、增益介质无毒、结构简单和系统重量轻等。由于碱金属原子上能级寿命较短(30ns左右)，因此可以做到上能级的快速储能，再加之增益系数大的特点，DPAL-MOPA系统不仅能实现足够的放大系数，同时能保证较小的信号失真与畸变。因此，半导体泵浦碱金属蒸气激光放大器是实现快速调制型LD激光信号定标放大较为理想的工程手段，可以实现快速调制型种子激光信号的高增益、低失真放大。另外，它的输出波长位于700-900nm波段，可用于远距离通信、工业加工和国防等诸多领域。
参照图2所示，本实施例激光放大器包括：沿光路方向同轴布置的半导体激光种子源1、聚焦透镜2、隔离器3、偏振光入射棱镜5、碱金属蒸气腔7，半导体激光泵浦源4位于偏振光入射棱镜5一侧，半导体激光种子源1发出的激光束依次经过聚焦透镜2、隔离器3、偏振光入射棱镜5后进入碱金属蒸气腔7，与此同时，采用半导体激光泵浦源4对碱金属蒸气腔7进行泵浦。
碱金属蒸气腔7内充入碱金属增益介质和缓冲气体，缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷、丙烷或者为上述气体的混合气体。碱金属蒸气腔7的两个端面可以镀上增透膜，以减少传输损耗。
本实施例激光放大器还包括：温控加热系统6，用于对碱金属蒸气腔7加热。
温控加热系统6包括热能转换器和控制电路，热能转换器紧贴碱金属蒸气腔7的外表面，控制电路实现对热能转换器的温度控制，以实现精细控温。根据实际需要可以在热能转换器和碱金属蒸气腔7之间加入高效传热的热沉。
本实施例中，聚焦透镜2的作用是对激光束进行聚焦，隔离器3的作用是防止种子激光反射回半导体激光种子源1中，偏振光入射棱镜5的作用是通过偏振的方法将种子光与泵浦光耦合入碱金属蒸气腔7内，以提高激光的输出功率。
半导体激光种子源1发出的种子光经偏振光入射棱镜5投射，半导体激光泵浦源4发出的泵浦光经偏振光入射棱镜5反射，偏振光入射棱镜5将种子光与泵浦光耦合入碱金属蒸气腔7内。
本实施例放大器中还可根据功能需要加入偏振片、柱透镜、非线性晶体等其他光学器件。
本实施例放大器利用碱金属介质增益系数大以及原子上能级寿命短的特点，来达到较大的信号放大系数和较小的信号失真的目的。半导体激光种子源1可以采用可调谐的半导体激光器，放大器部分使用碱金属蒸气作为增益介质；其中种子激光器产生快速调制的种子激光，放大器对种子激光实现定标放大。
在传统的激光系统中，实现快速调制型信号放大时仍存在着诸多问题。但是在本发明中，将半导体激光器窄线宽、高增益的特点与碱金属激光放大器时域信号失真小、增益大的特点相结合，构建一种新型的激光MOPA系统，可以在一定程度上克服传统激光系统的缺陷。
本发明可以利用碱金属蒸气介质上能级寿命短的特性，实现时域快速调制型激光信号的定标放大。同时可以保证放大后的激光信号畸变率与失真率均较小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种时域调制型碱金属蒸气激光放大器，其特征在于，包括：沿光路方向同轴布置的半导体激光种子源(1)、聚焦透镜(2)、隔离器(3)、偏振光入射棱镜(5)、碱金属蒸气腔(7)，半导体激光泵浦源(4)位于偏振光入射棱镜(5)一侧，半导体激光种子源(1)发出的激光束依次经过聚焦透镜(2)、隔离器(3)、偏振光入射棱镜(5)后进入碱金属蒸气腔(7)，与此同时，采用半导体激光泵浦源(4)对碱金属蒸气腔(7)进行泵浦。
2.如权利要求1所述的时域调制型碱金属蒸气激光放大器，其特征在于，所述碱金属蒸气腔(7)内充入碱金属增益介质和缓冲气体。
3.如权利要求2述的时域调制型碱金属蒸气激光放大器，其特征在于，所述缓冲气体为氦气、甲烷、乙烷、丙烷或者为上述气体的混合气体。
4.如权利要求2述的时域调制型碱金属蒸气激光放大器，其特征在于，所述碱金属蒸气腔(7)的两个端面镀有增透膜。
5.如权利要求1述的时域调制型碱金属蒸气激光放大器，其特征在于，还包括：温控加热系统(6)，用于对碱金属蒸气腔(7)加热。
6.如权利要求5述的时域调制型碱金属蒸气激光放大器，其特征在于，所述温控加热系统(6)包括热能转换器和控制电路，热能转换器紧贴碱金属蒸气腔(7)的外表面，控制电路实现对热能转换器的温度控制。
7.如权利要求6述的时域调制型碱金属蒸气激光放大器，其特征在于，所述热能转换器和碱金属蒸气腔(7)之间设置有热沉。
8.如权利要求1述的时域调制型碱金属蒸气激光放大器，其特征在于，所述半导体激光种子源(1)发出的种子光经偏振光入射棱镜(5)投射，半导体激光泵浦源(4)发出的泵浦光经偏振光入射棱镜(5)反射，偏振光入射棱镜(5)将种子光与泵浦光耦合入碱金属蒸气腔(7)内；隔离器(3)用于防止种子激光反射回半导体激光种子源(1)中。
9.如权利要求1述的时域调制型碱金属蒸气激光放大器，其特征在于，所述半导体激光种子源(1)采用可调谐的半导体激光器。
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