CN111106518B - 一种焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器 - Google Patents

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Abstract

一种焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器，包括种子激光器模块、振荡器、多级放大器、非线性变换模块、三波长及三波束输出切换模块；本发明可实现1064nm、532nm、355nm总能量为焦耳级的百赫兹单频脉冲输出；可用于星载高光谱激光雷达，定量获取云‑气溶胶的多参数信息；可用于星载测风激光雷达，获取3‑30km高度的全球大气风场信息；本发明主要解决了焦耳级单频脉冲放大问题、解决了单频脉冲高效倍频的问题、解决了三波长与三波束切换的问题、解决了三波长能量调谐的问题。

Description

一种焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器
技术领域
本发明涉及一种焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器。
背景技术
气象卫星探测的重点是大气温、湿、压、风、云、成分、空间等要素，其中大气中云与气溶胶的分布是影响全球气候最重要的因素之一，在大气能量分配、辐射传输，尤其是水循环系统中有不可忽视的作用，它直接影响地气系统的辐射和热量平衡。云参数探测有助于提高大气、陆地和海洋表面的气象预报预测的准确率，同时还能够为长期的卫星气候数据集的建立提供保障。通过云图可以预报降雨和风暴信息；对云顶温度和气压进行监测提取，可以对对流天气提前预警。对云-气溶胶进行探测不仅可以提高天气预报的精度还能够提高气候模型的预测精度，对研究气候变化，以及大气和地表水文循环过程具有十分重要的作用。
目前我国气象卫星云参数观测主要依赖于被动光学成像仪、微波辐射计等传统类型载荷，主要实现的是对云参数的宏观信息进行探测，包括云总量、云顶温度等，对于云参数的三维物理结构信息等不能有效探测。获取全球云参数的三维垂直结构和高垂直分辨率的云参数探测数据，揭示云相态和滴谱特征参数，增进对云微物理结构的认识，为数值天气预报优化云参数化方案提供基础观测数据具有迫切需求。
1064nm、532nm、355nm三波长单频脉冲激光器有效覆盖近红外、可见光、紫外三个波段，可用于星载高光谱激光雷达，定量获取云-气溶胶的多参数信息。
风场与温度、湿度、压强是描述大气的四大要素。风场的运动决定了地球天气和气候的大气环流，大规模的风场变化对天气变化模式和地球气候的长期演变有支配性的影响；此外，剧烈的风场，如热带飓风和中纬度风暴，还会对人类生活造成巨大的损失。全球范围的气候研究和数值天气预报都需要进行大气分析和风场观测。这些分析和观测可以对大气模型的动态变量进行全面的、一致的和三维的描述。通过获取全球三维风场数据，融合模型预测的大气状态，可以完善气象模型，加深大气动力学研究，服务高精度数值天气预报，这将极大地影响全球气候科学研究。
目前全球观测系统中的测风手段有以下不足：地基测风受陆地分布限制，空基测风受飞行路线限制，天基测风无法获得廓线信息。因此，全球三维风场信息尤其是热带和南半球海洋上空的高精度风场信息极度缺乏。星载激光测风雷达是获取全球高精度风廓线的唯一手段，可以有效填补全球三维风场数据空白。星载测风激光雷达一方面可以进行全球范围观测，使得占地球4/5的海洋、荒无人烟的沙漠和高原等地区都可以从卫星探测获取风场资料；另一方面采用多普勒激光雷达有效载荷可获取全球垂直分布风场信息。
焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器可以输出355nm单频脉冲激光，可以作为星载测风激光雷达的探测光源，针对气象预报对全球高时空分辨率三维风场获取的急切需求，采用355nm瑞利散射直接探测，实现3～30km高度范围内的星载激光测风雷达全球高精度风场廓线探测。
星载高光谱激光雷达和星载测风激光雷达均对其发射源——激光器有以下要求：单频脉冲激光输出；数百毫焦的单波长脉冲能量；百赫兹的重复频率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器，包括种子激光器模块、振荡器、多级放大器、非线性变换模块、三波长及三波束输出切换模块；本发明可实现1064nm、532nm、355nm总能量为焦耳级的百赫兹单频脉冲输出；可用于星载高光谱激光雷达，定量获取云-气溶胶的多参数信息；可用于星载测风激光雷达，获取3-30km高度的全球大气风场信息；本发明主要解决了焦耳级单频脉冲放大问题、解决了单频脉冲高效倍频的问题、解决了三波长与三波束切换的问题、解决了三波长能量调谐的问题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器，包括种子激光器模块、振荡器、多级放大器、非线性变换模块、三波长及三波束输出切换模块；
所述种子激光器模块用于输出种子激光，然后注入到振荡器；所述振荡器用于输出单频脉冲激光给多级放大器；所述多级放大器用于对单频脉冲激光放大，然后发送给非线性变换模块；所述非线性变换模块用于生成三个波长的单频脉冲，然后发送给三波长及三波束输出切换模块，所述三波长及三波束输出切换模块用于输出三个波长的波束。
优选的，所述种子激光器模块输出的是1064nm单频连续激光，光束质量M2小于衍射极限的1.1倍。
优选的，所述振荡器为注入锁定技术实现的1064nm单频脉冲激光器。
优选的，所述振荡器通过端面泵浦棒状Nd:YAG晶体的方式获得光束质量M2小于衍射极限的1.3倍的激光输出。
优选的，所述多级放大器包括第一放大器、第二放大器、第三放大器；通过波片对偏振态的改变在第一放大器进行一级双程放大；第二放大器与第三放大器之间设有道威棱镜平衡热累积对光束质量的影响。
优选的，所述多级放大器采用Nd:YAG板条晶体，激光在板条晶体中成Z字型前进，在激光脚印处放置半导体激光器进行泵浦。
优选的，所述多级放大器采用传导冷却的方式进行热控制。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明可以输出百赫兹的焦耳级三波长激光，能够满足星载激光雷达对激光大能量的要求；可以实现三波长输出与三波束输出的切换，满足不同激光雷达望远镜需求；可以实现三波长激光不同波长下能量的调谐，满足激光雷达的不同探测需求。
附图说明
图1为本发明的焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器系统框图；
图2为本发明的焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器原理图；
图3为本发明的振荡器原理图；
图4为本发明的多级放大器原理图；
图5为本发明的非线性变换模块原理图；
图6为三波长及三波束输出切换模块原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器，包括：种子激光器模块、振荡器、多级放大器、非线性变换模块、三波长及三波束输出切换模块；
所述种子激光器模块包括种子激光器泵浦源、泵浦耦合透镜组、单块非平面环形腔、隔离器。
所述振荡器包括从动激光器、PZT、光电探测器、注入锁定控制器。种子激光器模块出射的1064nm单频连续激光注入到从动激光器中，注入锁定控制器根据光电探测器探测到的信号控制PZT实现从动激光器腔长的改变，从而实现频率锁定，输出单频脉冲激光。
所述多级放大器包括第一放大器、第二放大器、第三放大器。1064nm单频脉冲激光进入第一放大器后进行双程一级放大，一级放大后的1064nm单频脉冲激光进入第二放大器后进行二级放大，二级放大后的1064nm单频脉冲激光进入第三放大器后进行三级放大。
所述非线性变换模块包括第一LBO晶体、第二LBO晶体、温控系统。三级放大器出射的1064nm单频脉冲激光进入第一LBO晶体进行二倍频后出射1064nm和532nm单频脉冲激光，二倍频后的1064nm和532nm单频脉冲激光进入第二LBO晶体进行和频，和频后出射1064nm、532nm、355nm单频脉冲。
所述三波长及三波束输出切换模块包括第一全反镜、第一分色镜、第二分色镜、第二全反镜。调整第一全反镜角度为0度，第一全反镜不接收光路时该模块实现三波长输出；调整第一全反镜角度为45度，第一全反镜接收光路时对1064nm、532nm、355nm三个波长激光进行全反射，该模块实现三波束输出。第一分色镜实现对355nm激光的反射，对1064nm、532nm激光的透射；第二分色镜实现对532nm激光的反射，对1064nm激光的透射；第二全反镜实现对1064nm激光的反射。
所述种子激光器模块输出的是1064nm单频连续激光，光束质量M2小于衍射极限的1.1倍。
所述振荡器为注入锁定技术实现的1064nm单频脉冲激光器。
所述振荡器通过端面泵浦棒状Nd:YAG晶体的方式获得光束质量M2小于衍射极限的1.3倍的激光输出。
所述振荡器通过光电探测器探测种子激光在振荡器中形成的谐振信号，将谐振信号反馈给注入锁定控制器，注入锁定控制器根据谐振信号对PZT和Q开关进行控制，实现振荡器的单频脉冲输出。
所述多级放大器包括第一放大器、第二放大器、第三放大器。通过波片对偏振态的改变在第一放大器进行一级双程放大。
所述多级放大器中第二放大器、第三放大器进行单程放大，第二放大器与第三放大器中间加有道威棱镜平衡热累积对光束质量的影响。
所述多级放大器均采用Nd:YAG板条晶体，激光在板条晶体中成“Z”字型前进，在激光“脚印”处放置808nm半导体激光器进行泵浦。
所述多级放大器采用传导冷却的方式进行热控制。
所述非线性变换模块的温控系统可以实现对第一LBO晶体、第二LBO晶体温度的精确控制，控制精度为0.01摄氏度。
所述三波长及三波束输出切换模块包括第一全反镜、第一分色镜、第二分色镜、第二全反镜，其中第一全反镜对1064nm、532nm、355nm的45°反射率＞99.9％。
具体的：
图1为本发明的焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器系统框图。该焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器包括：种子激光器模块、振荡器、多级放大器、非线性变换模块、三波长及三波束输出切换模块；其中，种子激光器实现连续1064nm单频激光输出；振荡器通过注入锁定实现毫焦级1064nm单频脉冲激光输出；多级放大器将毫焦级1064nm单频脉冲激光放大至焦耳级；非线性变换模块实现1064nm、532nm、355nm三波长激光输出，同时通过其温控系统实现不同波长能量大小的调谐；三波长及三波束输出切换模块实现三波长输出与三波束输出的切换，满足不同激光雷达望远镜需求。
图2为本实施例的种子激光器模块原理图，种子激光器模块包括种子激光器泵浦源、泵浦耦合透镜组1、单块非平面环形腔、分色镜1、隔离器1、1/2波片1。种子激光器泵浦源输出808nm激光，经泵浦耦合透镜组1后泵浦单块非平面环形腔，分色镜1对808nm激光高透、对1064nm激光45°高反，隔离器1保证1064nm单向通过防止反馈光导致种子激光器损坏，1/2波片1对1064nm连续单频激光的偏振态进行调整使其偏振态为s光。
图3为本实施例的振荡器原理图，振荡器包括从动激光器、PZT、光电探测器、注入锁定控制器、隔离器2。其中，从动激光器由全反镜1、电光Q开关、1/4波片1、偏振分光棱镜PBS1、第一分色镜1、第二分色镜2、第三分色镜3、Nd:YAG晶体、输出镜、分光镜1、泵浦源、准直系统1、聚焦透镜组成。种子激光器模块出射的1064nm单频连续激光以s偏振态入射到PBS1，经PBS1反射后经过1/4波片1变成圆偏振光，经全反镜1反射后再次经过1/4波片1变成p偏振态的线偏光，可在从动激光器中传播。在PZT上施加三角波，使从动激光器的腔长规律改变，可以通过光电探测器探测到种子激光在振荡器中形成的谐振信号。将谐振信号反馈给注入锁定控制器，注入锁定控制器根据光电探测器探测到的信号控制PZT实现从动激光器腔长的改变，从而实现频率锁定，同时在特定时刻打开电光Q开关，输出单频脉冲激光。第一分色镜1、第二分色镜2、第三分色镜3均为808nm激光高透、1064nm激光45°高反的镜片。分光镜1实现对1064nm的高透以及＜5％的反射。隔离器2保证1064nm激光的单向传输，防止反馈光引起对振荡器的损伤。本实施例的振荡器可以实现毫焦级的百赫兹的1064nm单频脉冲激光输出。
图4为本实施例的多级放大器原理图，包括1/2波片2、偏振分光棱镜PBS2、第一透镜组、第一放大器、1/4波片2、0°全反镜2、全反镜3、第二透镜组、第二放大器、全反镜4、道威棱镜、全反镜5、第三放大器、第三透镜组。其中第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组的作用均为对激光的发散角进行调整。1064nm单频脉冲激光经1/2波片2调整偏振态为p光进入第一放大器后进行一级一次放大，经1/4波片2激光偏振态变为圆偏光，经0°全反镜2反射后再次通过1/4波片2后激光偏振态变为s光，进入第一放大器后进行一级二次放大。一级双程放大后的1064nm单频脉冲激光经45°全反镜3反射后进入第二放大器后进行二级放大，二级放大后的1064nm单频脉冲激光经过道威棱镜后进入第三放大器后进行三级放大。道威棱镜可以使光斑呈倒像，使第二放大器、第三放大器的热累积对光斑的影响不在一个方向进行累积，以获得更好的光束质量。第一放大器、第二放大器、第三放大器均采用Nd:YAG板条晶体，1064nm激光在板条晶体内呈“Z”字型前进，在激光“脚印”处放置808nm半导体激光器进行泵浦。多级放大器采用传导冷却的方式进行热控制。需要说明的，多级放大器中放大器的数量可以根据激光能量要求的大小进行增减。全反镜2为0°全反镜，全反镜3、全反镜4、全反镜5均为45°全反镜。
图5为本实施例的非线性变换模块原理图，非线性变换模块包括LBO晶体1、LBO晶体2、温控系统。多级放大器出射的1064nm单频脉冲激光进入LBO晶体1进行二倍频后出射1064nm和532nm单频脉冲激光，二倍频后的1064nm和532nm单频脉冲激光进入LBO晶体2进行和频，和频后出射1064nm、532nm、355nm单频脉冲。温控系统精确控制LBO晶体1、LBO晶体2的温度，控制精度为0.01摄氏度，可以实现1064nm、532nm、355nm不同波长能量大小的调谐。在355nm测风激光雷达中需要355nm激光的能量最大，此时需要三倍频的效率最高；在高光谱激光雷达中，一般需要1064nm、532nm、355nm的能量大小相同，此时需通过温度控制调整非线性变换的效率。需要说明的是，二倍频晶体不一定选用LBO晶体，可以选择其他倍频晶体，如RTP、KD*P晶体。
图6为本实施例的三波长及三波束输出切换模块原理图，三波长及三波束输出切换模块包括第一全反镜、第一分色镜、第二分色镜、第一全反镜。调整第一全反镜的角度为0度，第一全反镜不接收光路时该模块实现三波长输出；调整第一全反镜的角度为45°，第一全反镜接收光路时对1064nm、532nm、355nm三个波长激光进行全反射，反射率＞99.9％，该模块实现三波束输出。第一分色镜实现对355nm激光的全反射，对1064nm、532nm激光的透射；第二分色镜实现对532nm激光的全反射，对1064nm激光的透射；第二全反镜实现对1064nm激光的全反射。根据高光谱激光雷达望远镜系统的不同需要可以实现三波长及三波束输出的切换。在三波束输出模式下，将1064nm和532nm的激光用光垃圾桶收集，仅让355nm激光输出，可以满足355nm测风激光雷达的使用需要。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器，其特征在于，包括种子激光器模块、振荡器、多级放大器、非线性变换模块、三波长及三波束输出切换模块；
所述种子激光器模块用于输出种子激光，然后注入到振荡器；所述振荡器用于输出单频脉冲激光给多级放大器；所述多级放大器用于对单频脉冲激光放大，然后发送给非线性变换模块；所述非线性变换模块用于生成三个波长的单频脉冲，然后发送给三波长及三波束输出切换模块，所述三波长及三波束输出切换模块用于输出三个波长的波束；
所述多级放大器采用传导冷却的方式进行热控制；
所述种子激光器模块输出的是1064nm单频连续激光，光束质量M2小于衍射极限的1.1倍；
所述振荡器为注入锁定技术实现的1064nm单频脉冲激光器；
所述振荡器通过端面泵浦棒状Nd:YAG晶体的方式获得光束质量M2小于衍射极限的1.3倍的激光输出；
所述多级放大器包括第一放大器、第二放大器、第三放大器；通过波片对偏振态的改变在第一放大器进行一级双程放大；第二放大器与第三放大器之间设有道威棱镜平衡热累积对光束质量的影响；
所述多级放大器采用Nd:YAG板条晶体，激光在板条晶体中成Z字型前进，在激光脚印处放置半导体激光器进行泵浦；
所述非线性变换模块包括第一LBO晶体、第二LBO晶体、温控系统；多级放大器出射的1064nm单频脉冲激光进入第一LBO晶体进行二倍频后出射1064nm和532nm单频脉冲激光，二倍频后的1064nm和532nm单频脉冲激光进入第二LBO晶体进行和频，和频后出射1064nm、532nm、355nm单频脉冲；
所述三波长及三波束输出切换模块包括第一全反镜、第一分色镜、第二分色镜、第二全反镜；调整第一全反镜角度为0度，第一全反镜不接收光路时该模块实现三波长输出；调整第一全反镜角度为45度，第一全反镜接收光路时对1064nm、532nm、355nm三个波长激光进行全反射，三波长及三波束输出切换模块用于三波束输出；第一分色镜实现对355nm激光的反射，对1064nm、532nm激光的透射；第二分色镜实现对532nm激光的反射，对1064nm激光的透射；第二全反镜实现对1064nm激光的反射；
温控系统用于控制第一LBO晶体、第二LBO晶体的温度，控制精度为0.01摄氏度，用于完成1064nm、532nm、355nm不同波长能量大小的调谐；
多级放大器将毫焦级1064nm单频脉冲激光放大至焦耳级；
焦耳级三波长可调谐单频脉冲激光器可用于1064nm、532nm、355nm总能量为焦耳级的百赫兹单频脉冲输出。
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