CN110649459B - 一种基于碱金属蒸气激光器的主动照明信标系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于自适应光学领域，具体涉及一种使用大功率单频碱金属蒸气激光器作为激光源，并利用碱金属蒸气非线性效应对微弱信标回光进行保相位放大的主动照明信标系统，包括大功率单频碱金属蒸气激光器、照明光发射和信标光接收装置、信标光放大装置、放大信标光接收装置。本发明照明激光波长正好处于“大气窗口”及CCD图像传感器响应曲线峰值附近，探测效率相较于传统主动照明信标系统提升近10倍。信标光可利用碱金属蒸气中的非线性效应进行数倍到数百倍的放大。同时碱金属蒸气激光器作为潜在的大功率激光器方案，单频光功率有望达到千瓦到万瓦量级。该方案可以解决传统主动照明信标系统中存在的难题，大大提高高能激光系统的跟踪和传输效果。

Description

一种基于碱金属蒸气激光器的主动照明信标系统

技术领域

本发明属于自适应光学领域，具体涉及一种使用大功率单频碱金属蒸气激光器作为激光源，并利用碱金属蒸气非线性效应对微弱信标回光进行保相位放大的主动照明信标系统。

背景技术

随着激光技术的飞速发展，高能激光系统由于具有传输速度快、精度高、作用距离远、灵活性强等优点，在目标拦截、清理太空垃圾等方面的应用越来越受到重视，这些目标的典型特征是距离远、目标小、自身不发光。高能激光系统主要由高能激光器、精密瞄准跟踪系统和光束控制与发射系统组成。高能激光器用于产生高能激光束；精密瞄准跟踪系统用来捕获、跟踪目标，引导光束瞄准射击；光束控制与发射系统则将激光器产生的高能激光束定向发射出去，并通过自适应补偿来矫正或消除大气效应对激光束的影响。信标是自适应光学系统的核心，用于为其提供基准波前。将目标直接用照明激光照亮形成的主动照明信标是最常用的人造信标，其回光亮度至少与目标距离的四次方成反比，对远距离目标信标往往变得非常暗，制约了自适应光学系统性能。

主动照明信标系统主要由人造光辐射源(一般为激光器)和接收机组成。电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)由于具有体积小、重量轻、灵敏度与分辨率高、功耗与成本低等特点，一般选做主动照明信标系统中的图像传感器件，其光谱响应范围在400～1100nm之间。激光束穿过大气层时会与固有频率相同的大气分子发生共振吸收，将光能量转化为热能，从而导致激光传输波段的功率损失，然而激光主动照明可选择的大气窗口有限。考虑到激光波长与图像传感器的匹配效果，以及激光在大气传输过程中的衰减，目前实际应用的激光波段主要有钇铝石榴石(YAG)激光的1.064μm及其倍频光的0.532μm、大功率光纤激光的1.06-1.08μm。

目前所使用的基于YAG固体激光器的主动照明信标系统由于激光功率限制，有效作用距离非常有限；基于大功率光纤激光器的主动照明信标系统由于其波长在CCD图像传感器的响应范围边缘，探测效率极低，对激光器的功率提出了极高的要求。半导体泵浦碱金属蒸气激光器作为最具潜力的高能激光器之一，具有高平均功率、高光束质量、高电光效率、全电操作、结构紧凑等优势，单频功率可达千瓦至万瓦量级，且输出波长位于CCD图像传感器响应曲线峰值附近，结合碱金属蒸气池对回波信号的大增益放大，是理想的主动照明信标系统光源。

作为一种新型激光器，半导体泵浦碱金属蒸气激光器在2001年由美国利弗莫尔实验室提出以来，其基本工作物理学原理和激光装置设计原则已得到确认，目前的工作主要集中在输出功率的定标放大，相关的应用罕见报道。

发明内容

为了解决传统主动照明信标系统照明亮度不足，CCD图像传感器探测效率低的问题，本发明提出了一种使用大功率单频碱金属蒸汽激光器作为激光源，并利用碱金属蒸气中的非线性效应对信标光进行保相位放大的新型主动照明信标系统。其照明激光波长(钾770nm，铷795nm，铯895nm)正好处于“大气窗口”及CCD图像传感器响应曲线峰值附近(如图1所示)，探测效率相较于传统主动照明信标系统提升了近10倍。信标光可利用碱金属蒸气中的非线性效应进行数倍到数百倍的放大。同时碱金属蒸气激光器作为潜在的大功率激光器方案，单频光功率有望达到千瓦到万瓦量级。该方案可以解决传统主动照明信标系统中存在的难题，大大提高高能激光系统的跟踪和传输效果。

本发明采用的技术方案为：

一种基于碱金属蒸气激光器的主动照明信标系统，包括大功率单频碱金属蒸气激光器1、照明光发射和信标光接收装置2、信标光放大装置3、放大信标光接收装置4；

所述大功率单频碱金属蒸气激光器1包括半导体泵浦源1-1、聚焦透镜1-2、一号二向色镜1-3、充入缓冲气体的碱金属蒸气池1-4、标准具1-5、标准具角度和温度控制元件1-6、输出耦合镜1-7、二号二向色镜1-8、一号光吸收器1-9；半导体泵浦源1-1输出泵浦光，经过聚焦透镜1-2、一号二向色镜1-3后，进入充入缓冲气体的碱金属蒸气池1-4，经过充入缓冲气体的碱金属蒸气池1-4对碱金属原子进行光泵浦，再经标准具1-5、输出耦合镜1-7后照射到二号二向色镜1-8上；所述聚焦透镜1-2用于将泵浦光聚焦到充入缓冲气体的碱金属蒸气池1-4上，所述一号二向色镜1-3和输出耦合镜1-7组成谐振腔，用于提供能量反馈和进行模式选择，所述标准具1-5插入谐振腔中用于选纵模，实现泵浦光的单频输出，标准具角度和温度控制元件1-6连接标准具1-5，用于实现波长调谐；所述二号二向色镜1-8为一个高反高透镜，其一方面将入射的低光束质量的光反射至光吸收器1-9上使其被光吸收器1-9吸收，另一方面将高光束质量的照明光输出；

所述照明光发射和信标光接收装置2包括一号反射式望远系统2-1、目标2-2、二号反射式望远系统2-3；大功率单频碱金属蒸气激光器1输出的照明光通过一号反射式望远系统2-1中心的小孔入射后，照射到位于一号反射式望远系统2-1焦点处的反射镜上，被反射镜反射后照射到一号反射式望远系统2-1的主反射面上，变为平行光发射，发射的平行光通过大气后，照亮目标2-2；目标2-2反射回来的信号光作为信标光经过大气传输后由二号反射式望远系统2-3接收，并输出至信标光放大装置3；

所述信标光放大装置3包括一号反射镜3-1、泵浦源3-2、移频器3-3、半波片3-4、二号反射镜3-5、偏振分光棱镜3-6、真空碱金属蒸气池3-7、二号光吸收器3-8；一号反射镜3-1将二号反射式望远系统2-3输出的信标光反射，使其传播方向改变后经偏振分光棱镜3-6输入真空碱金属蒸气池3-7；泵浦源3-2输出的泵浦光经移频器3-3移频后，通过半波片3-4进行偏振调制，之后经二号反射镜3-5、偏振分光棱镜3-6反射，注入真空碱金属蒸气池3-7；透过真空碱金属蒸气池3-7的泵浦光被二号光吸收器3-8吸收；此时，信标光与泵浦光在真空碱金属蒸气池3-7中以0.2°-3°的小角度交叉，在真空碱金属蒸气池3-7中实现光放大，放大后的信标光输出至放大信标光接收装置4；

所述放大信标光接收装置4为跟踪和自适应光学系统，用于接收放大后的信标光，并实现高能激光系统的目标捕获和波前补偿。

本发明基于以下原理：

本发明以大功率半导体激光器作为泵浦源，以碱金属原子饱和蒸气作为增益介质，利用碱金属原子外层价电子能级跃迁实现大功率激光输出。其中，在充入缓冲气体的碱金属蒸气池1-4中充入高压缓冲气体，使得碱金属原子的D1线线宽加宽，以实现泵浦源与铷D1线的线宽匹配，同时实现铷原子的精细结构弛豫作用，提供有效的粒子数反转。其谱线加宽计算公式为：

Δν_L＝Δν_N+γ_iP

其中，Δν_L为加宽后的线宽，Δν_N为真空线宽，γ_i为加宽系数，P为冲入气体的压强。如在铷蒸气中冲入8～9atm的氦气，可使铷D1线宽加宽至128.7GHz。

在大功率单频碱金属蒸气激光器的谐振腔内插入标准具进行选纵模。通过选择标准具的材料、厚度、表面反射率，来调节其自由光谱范围、光透过率以及输出线宽，从而实现低损耗、窄线宽的单频信标光输出；并利用标准具中心频率易受温度和入射角影响的特点，加入标准具角度和温度控制元件，实现频率调谐，从而通过对照明光波长的调谐，来选择最佳照明波长，实现更好的照明效果。

通过反射式望远系统对照明光进行发射并对信标光进行接收。接收到的信标光与泵浦光交叉注入至碱金属蒸气池中，通过碱金属蒸气的非线性效应(受激拉曼效应、四波混频效应)，实现能量从泵浦光至信标光的“转移”，从而实现信标光的保相位放大。如利用碱金属原子的受激拉曼效应时，在碱金属蒸气池中注入泵浦光，由于泵浦光的作用，蒸气池中原子的极化率发生变化，从而引起微弱信标光的折射率变化。通过调节信标光和泵浦光的注入角度θ，以及泵浦光频率ω2(通过移频器或者激光器自身的温度和电流调谐来调节泵浦光频率)，来使其满足双光子共振条件(如图2所示)。当微弱信标光的频率与泵浦光频率满足双光子共振条件时，原子受激拉曼过程中的量子相干导致较强的克尔非线性效应，使得信标光在通过碱金属蒸气池后相对强度获得十倍以上的增强。

利用碱金属原子的四波混频效应时(主要利用其三阶非线性极化率χ⁽³⁾)，在碱金属蒸气池中注入一到两路泵浦光，由于泵浦光的作用，蒸气池中原子的极化率发生变化。通过调节泵浦光频率ω2(通过移频器或者激光器自身的温度和电流调谐来调节泵浦光频率)，以及信标光ω1和泵浦光ω2的夹角θ，使其满足光波模式匹配条件(如图3(a)所示)和几何相位匹配条件(如图3(b)所示)。当微弱信标光和泵浦光满足光波模式匹配条件和几何相位匹配条件时，可使信标光在通过碱金属蒸气池后相对强度获得十倍以上增强。同时会产生以角度

出射的耦合光ω3。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明首次提出使用碱金属蒸气激光器作为主动照明信标系统的光源，相较于传统主动照明信标系统光源，其具有高平均功率、高光束质量、高电光效率、全电操作、结构紧凑等优势，且单频功率可达千瓦至万瓦量级。同时，碱金属激光器波长(钾770nm，铷795nm，铯895nm)处于“大气窗口”，且处于CCD图像传感器响应曲线峰值附近，探测效率相较于传统主动照明信标系统提升了近10倍。以上优势解决了传统主动照明信标系统光源亮度不够、图像探测器探测效率低等突出问题。

2.本发明利用碱金属蒸气中特有的强烈非线性效应(受激拉曼效应、四波混频效应)，在将回光信号注入跟踪系统和自适应光学系统之前，设计了信标光放大装置，这可实现信标光数倍至数百倍的保相位放大，大大提升了系统的照明能力。

附图说明

图1不同主动照明光源在CCD上的量子效率示意图；

图2利用碱金属原子受激拉曼效应进行光放大示意图；

图3利用碱金属原子四波混频效应进行光放大示意图：(a)微弱信标光和泵浦光满足光波模式匹配条件；(b)微弱信标光和泵浦光满足几何相位匹配条件；

图4为本发明所述一种基于碱金属蒸气激光器的主动照明信标系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

图4为本发明所述一种基于碱金属蒸气激光器的主动照明信标系统的结构示意图。

本发明所述一种基于碱金属蒸气激光器的主动照明信标系统，包括大功率单频碱金属蒸气激光器1、照明光发射与信标光接收装置2、信标光放大装置3、放大信标光接收装置4。

实施例中取碱金属蒸气激光器为铷蒸气激光器(波长795nm)，所用的碱金属蒸气非线性效应为铷蒸气中的受激拉曼效应，具体工作过程如下：

S1通过大功率单频铷蒸气激光器1输出795nm照明光：

S1.1窄线宽半导体泵浦源1-1输出780nm泵浦光，泵浦光经过聚焦透镜1-2，聚焦至充入缓冲气体的铷蒸气池1-4中，在铷蒸气池中充入8～9大气压的氦气，使其线宽加宽至128.7GHz，以实现泵浦源与铷D1线的线宽匹配，同时实现铷原子的精细结构弛豫作用，实现有效的粒子数反转；

S1.2一号二向色镜1-3(780nm高透，795nm高反)和输出耦合镜1-7(780nm高透，795nm70％反射)一起组成谐振腔，实现光的能量反馈和模式选择；

S1.3将标准具1-5(材料为熔融石英石，厚度为0.7mm，反射率为79.5％，自由光谱范围为145.84GHz，线宽为11.3GHz，温度调谐系数为-2390.567MHz/℃，角度调谐系数为26932.12MHz/EDG²)插入谐振腔中，进行选纵模，输出窄线宽单频信标光；利用标准具角度和温度控制元件1-6对标准具1-5的角度和温度进行调节，实现信标光波长调谐，使信标光波长处于“大气窗口”；

S1.4从谐振腔出射的泵浦光经二号二向色镜1-8(780nm高反，795nm高透)后，波长为780nm的泵浦光被二号二向色镜1-8反射至光吸收器1-9，由其吸收；波长为795nm的泵浦光透过二号二向色镜1-8作为照明光进入照明光发射与信标光接收装置2；

S2通过照明光发射与信标光接收装置2中的一号反射式望远系统2-1，将输入的照明光发射，照明光通过大气后，照亮目标2-2，目标2-2反射的照明光作为信标光经过大气传输后由二号反射式望远系统2-3接收，并输出至信标光放大装置3。

S3通过信标光放大装置3将信标光进行放大：

S3.1信标光放大装置3接收到信标光后，由一号反射镜3-1将信标光反射，经过偏振分光棱镜3-6后，注入真空铷蒸气池3-7；

S3.2泵浦源3-2输出的泵浦光经过声光移频器3-3进行移频，使泵浦光频率达到最佳失谐频率3.25GHz，并通过半波片3-4进行偏振的调节，使泵浦光偏振与信标光偏振相互垂直，以达到最佳增益效果，而后泵浦光经二号反射镜3-5、偏振分光棱镜3-6反射，注入至真空铷蒸气池3-7；

S3.3使泵浦光与信标光在真空铷蒸气池3-7中成0.2°-3°的小角度交叉，从而实现最大增益的信标光保相位放大，放大后的信标光再输出至放大信标光接收装置4，透过真空铷蒸气池3-7的泵浦光被光吸收器3-8吸收；

S4将放大后的信标光输入放大信标光接收装置4，所述放大信标光接收装置4为跟踪和自适应光学系统，用于接收放大后的信标光，并实现高能激光系统的目标捕获和波前补偿。

进一步，照明光在大气中传输时，由于大气的吸收、散射以及大气湍流等的影响，会发生光束破碎，在成像器件上产生散斑。本实施例中的碱金属蒸气激光可在一号二向色镜1-3和输出耦合镜1-7组成的谐振腔内插入相位片实现单一横模运转，从而提高光束的横向均匀性，抑制散斑效应；

也可采用多路碱金属蒸气激光合束，提升总照明光束的强度均匀性，抑制散斑效应。

Claims (7)

1.一种基于碱金属蒸气激光器的主动照明信标系统，其特征在于：包括大功率单频碱金属蒸气激光器(1)、照明光发射和信标光接收装置(2)、信标光放大装置(3)、放大信标光接收装置(4)；

所述大功率单频碱金属蒸气激光器(1)包括半导体泵浦源(1-1)、聚焦透镜(1-2)、一号二向色镜(1-3)、充入缓冲气体的碱金属蒸气池(1-4)、标准具(1-5)、标准具角度和温度控制元件(1-6)、输出耦合镜(1-7)、二号二向色镜(1-8)、一号光吸收器(1-9)；半导体泵浦源(1-1)输出泵浦光，经过聚焦透镜(1-2)、一号二向色镜(1-3)后，进入充入缓冲气体的碱金属蒸气池(1-4)，经过充入缓冲气体的碱金属蒸气池(1-4)对碱金属原子进行光泵浦，再经标准具(1-5)、输出耦合镜(1-7)后照射到二号二向色镜(1-8)上；所述聚焦透镜(1-2)用于将泵浦光聚焦到充入缓冲气体的碱金属蒸气池(1-4)上，所述一号二向色镜(1-3)和输出耦合镜(1-7)组成谐振腔，用于提供能量反馈和进行模式选择，所述标准具(1-5)插入谐振腔中用于选纵模，实现泵浦光的单频输出，所述标准具角度和温度控制元件(1-6)连接标准具(1-5)，用于实现波长调谐；所述二号二向色镜(1-8)为一个高反高透镜，其一方面将入射的低光束质量的光反射至光吸收器(1-9)上使其被光吸收器(1-9)吸收，另一方面将高光束质量的照明光输出；

所述照明光发射和信标光接收装置(2)包括一号反射式望远系统(2-1)、目标(2-2)、二号反射式望远系统(2-3)；大功率单频碱金属蒸气激光器(1)输出的照明光通过一号反射式望远系统(2-1)中心的小孔入射后，照射到位于一号反射式望远系统(2-1)焦点处的反射镜上，被反射镜反射后照射到一号反射式望远系统(2-1)的主反射面上，变为平行光发射，发射的平行光通过大气后，照亮目标(2-2)；目标(2-2)反射回来的信号光作为信标光经过大气传输后由二号反射式望远系统(2-3)接收，并输出至信标光放大装置(3)；

所述信标光放大装置(3)包括一号反射镜(3-1)、泵浦源(3-2)、移频器(3-3)、半波片(3-4)、二号反射镜(3-5)、偏振分光棱镜(3-6)、真空碱金属蒸气池(3-7)、二号光吸收器(3-8)；一号反射镜(3-1)将二号反射式望远系统(2-3)输出的信标光反射，使其传播方向改变后经偏振分光棱镜(3-6)输入真空碱金属蒸气池(3-7)；泵浦源(3-2)输出的泵浦光经移频器(3-3)移频后，通过半波片(3-4)进行偏振调制，之后经二号反射镜(3-5)、偏振分光棱镜(3-6)反射，注入真空碱金属蒸气池(3-7)；透过真空碱金属蒸气池(3-7)的泵浦光被二号光吸收器(3-8)吸收；此时，信标光与泵浦光在真空碱金属蒸气池(3-7)中以0.2°-3°的小角度交叉，在真空碱金属蒸气池(3-7)中实现光放大，放大后的信标光输出至放大信标光接收装置(4)；

所述放大信标光接收装置(4)为跟踪和自适应光学系统，用于接收放大后的信标光，并实现高能激光系统的目标捕获和波前补偿。

2.一种根据权利要求1所述基于碱金属蒸气激光器的主动照明信标系统，其特征在于：所述碱金属蒸气池(1-4)中的碱金属为钾、铷或铯。

3.一种根据权利要求1所述基于碱金属蒸气激光器的主动照明信标系统，其特征在于：所述碱金属蒸气池(1-4)中充入的缓冲气体为氦气。

4.一种根据权利要求3所述基于碱金属蒸气激光器的主动照明信标系统，其特征在于：所述碱金属蒸气池(1-4)中充入氦气的压强为8atm～9atm。

5.一种根据权利要求1所述基于碱金属蒸气激光器的主动照明信标系统，其特征在于：所述标准具(1-5)的材料为熔融石英石，厚度为0.7mm，反射率为79.5％，自由光谱范围为145.84GHz，线宽为11.3GHz，温度调谐系数为-2390.567MHz/℃，角度调谐系数为26932.12MHz/EDG²。

6.一种根据权利要求1所述基于碱金属蒸气激光器的主动照明信标系统，其特征在于：在一号二向色镜(1-3)和输出耦合镜(1-7)组成的谐振腔内插入相位片实现单一横模运转，从而提高光束的横向均匀性，抑制散斑效应。

7.一种根据权利要求1所述基于碱金属蒸气激光器的主动照明信标系统，其特征在于：采用多路碱金属蒸气激光合束，提升总照明光束的强度均匀性，抑制散斑效应。

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