CN111224311A - 一种百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器,包括激光谐振腔,激光谐振腔内依次设置第一电光调Q晶体、起偏器和泵浦模块,激光谐振腔之后依次设置第一分光棱镜、拉曼激光耦合腔、第一45°反射镜、第二电光调Q晶体、拉曼放大模块和输出镜M5,拉曼激光耦合腔中设置有拉曼晶体,与第一分光棱镜、第一45°反射镜和输出镜M5并排的位置分别设置第二45°反射镜、第二分光棱镜和第三45°反光镜,在第二分光棱镜和第三45°反光镜之间设置有第三电光调Q晶体,第二电光调Q晶体和第三电光调Q晶体由同一电源模块控制且电压驱动方式相反。该双波长拉曼激光器可实现高效率输出双波长激光,并实现100ns以内快速切换。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域,具体涉及一种应用于激光雷达的快速切换双波长拉曼激光器。
背景技术
在目前光电对抗的侦查中,多利用激光雷达进行30km以上的高空大气探测,主要采用瑞利散射和共振荧光两种回波机制。其中,前者是通过激发大气分子的瑞利散射而工作,其工作波长为1.06μm/532nm,探测高度范围在30~80km;后者则是通过激发处于大约80~110km高空的金属钠层的共振荧光而工作的,工作波长为1.17μm/589nm。
瑞利散射和共振荧光所用的双波长中,1.06μm波长激光输出已经有较为成熟的方案,难度较大的是1.17μm波长,以及其倍频的589nm波长的黄光激光光源,该波长的激光无法通过激活离子直接产生,常用的掺钕激光材料很难产生高效运转于1.12μm~1.20μm波段的激光,因而产生该波段的激光比其他波段激光困难的多。
该波段激光的产生主要有以下3种途径(参见表1),从表1中可以得出,拉曼激光器相对于红外波长倍频激光器、双波长和频激光器,具有脉冲能量和光—光效率高两大优势。此外,晶体拉曼介质具有增益高、导热性好、光学和机械特性好,以及易于和全固态激光技术相结合等优点。采用晶体拉曼介质的固体拉曼激光器体积小、效率高、结构紧凑、稳定性好,因而拉曼激光器方案成为了首选,在信息、交通、测量、医疗、国防和工农业等领域都有广泛的应用。
表1 1.17μm/589nm激光的主要产生途径
我国已研制成功瑞利散射和钠层荧光两种类型的激光雷达,可分别实现对30~80km大气和80~110km钠层的探测,其缺点是不能同时工作于瑞利散射和钠层荧光两种机制。因此,针对以上不足,研制能够在1.06μm/1.17μm之间自由切换的跳频双波长激光器,具有重要的意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种能够在1.06μm/1.17μm之间自由切换的跳频双波长激光器,以解决现有激光雷达不能同时工作于瑞利散射和钠层荧光两种机制的问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题,本发明提供了一种百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器,包括激光谐振腔,激光谐振腔内依次设置第一电光调Q晶体、起偏器和泵浦模块,激光谐振腔之后依次设置第一分光棱镜、拉曼激光耦合腔、第一45°反射镜、第二电光调Q晶体、拉曼放大模块和输出镜M5,拉曼激光耦合腔中设置有拉曼晶体,与第一分光棱镜并排的位置设置第二45°反射镜,与第一45°反射镜并排的位置设置第二分光棱镜,与输出镜M5并排的位置设置第三45°反光镜,在第二分光棱镜和第三45°反光镜之间设置有第三电光调Q晶体,第二电光调Q晶体和第三电光调Q晶体由同一电源模块控制且电压驱动方式相反。
其中,所述泵浦模块由两组完全相同的激光介质和泵浦光源进行串接,泵浦光源环绕在激光介质外侧,两组激光介质和泵浦光源之间加入90°旋光器。
其中,所述激光介质为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG圆柱晶体,直径为10mm,长度为40mm,其掺杂原子数分数为1%,两端截面均镀有波长1000~1100nm的增透膜。
其中,所述泵浦光源为808nm的激光二极管阵列LDA。
其中,所述激光谐振腔为全反镜M1和输出镜M2组成的平凹腔,全反镜M1镀有808nm激光的高反膜和1.06μm激光的高反膜,输出镜M2镀有1.06μm激光的增透膜。
其中,所述第一电光调Q晶体的长度为30mm,两端镀有1.06μm激光的增透膜。
其中,所述第一分光棱镜和第二分光棱镜均为2:8分振幅分光棱镜。
其中,所述拉曼激光耦合腔由全反镜M3、输出镜M4和耦合透镜组组成,全反镜M3镀有1.17μm激光的高反膜,输出镜M4镀有1.17μm激光的增透膜。
其中,所述拉曼晶体为沿a轴方向切割的掺钕钒酸钆Nd:GdVO4晶体,其掺杂原子数分数为0.2%,两端截面镀有波长1000~1200nm的增透膜。
其中,所述输出镜M5的左侧镀有1.06μm激光的高反膜,右侧镀有1.17μm激光的增透膜。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点:由于本发明提供的百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器中,利用同一电源驱动模块,控制并联的且电压驱动方式相反的第二电光调Q晶体和第三电光调Q晶体,实现了双波长输出的自由切换;通过波形发生器控制脉冲前沿,合理分配延时,实现了100ns以内的快速跳频切换;利用2:8分振幅分光棱镜的设计及光路复用,将总量64%的1.064μm激光用做1.17μm拉曼激光的泵浦光,在不引起光学元件损伤的情况下,提高了拉曼激光的泵浦效率,实现了高效率产生双波长共光路激光。
附图说明
图1是本发明提供的百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器的示意图;
图中,1、全反镜M1;2、第一电光调Q晶体;3、起偏器;4、泵浦光源LDA;5、激光介质;6、90°旋光器;7、泵浦光源LDA;8、激光介质;9、输出镜M2;10、第一分光棱镜;11、全反镜M3;12、拉曼晶体;13、输出镜M4;14、第一45°反射镜;15、第二电光调Q晶体;16、拉曼放大模块;17、输出镜M5;18、第二45°反射镜;19、第二分光棱镜;20、第三电光调Q晶体;21、第三45°反射镜。
具体实施方式
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。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,需要理解的是,上下文术语中“远端”和“近端”应当被理解为从术者的方向观察。远端是远离术者的一侧,而近端表示朝着术者,其中,术语“前”、“后”、“内”、“外”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本专利和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本专利的限制。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示,一种百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器,由1.06μm窄脉冲高峰值功率全固态激光泵浦单元、1.17μm拉曼激光本振单元和1.17μm拉曼激光放大单元组成。其中,1.06μm激光谐振腔为一个由全反镜M1和输出镜M2组成的平凹腔,左侧的全反镜M1镀有808nm激光的高反膜和1.06μm激光的高反膜,反射率R>99.8%,右侧的输出镜M2镀有1.06μm激光的增透膜。该1.06μm激光谐振腔内依次放置第一电光调Q晶体2、起偏器3和泵浦模块。该泵浦模块的泵浦光源4为808nm的激光二极管阵列LDA,激光介质5为Nd:YAG晶体(掺钕钇铝石榴石晶体),直径为10mm,长度为40mm,掺杂原子数分数为1%,两端截面均镀有1000-1100nm的增透膜,反射率R<0.2%。泵浦光源4环绕在激光介质5的外侧,采用侧面泵浦的方式。这一级别的高能量激光脉冲,热应力在Nd:YAG晶体中的不均匀分布产生的热致双折射现象比较明显,因此在系统中采用两个完全相同的泵浦模块进行了双棒串接,并在量模块中间加入90°旋光器6,补偿两模块的热致双折射。该光路中的第一电光调Q晶体2及配套的起偏器3,用于将Nd:YAG晶体产生的无偏振激光变为线偏振光,得到高能量1.06μm激光脉冲。第一电光调Q晶体2的长度为30mm,两端镀有1.06μm激光的增透膜。
输出镜M2之后设置2:8分振幅的第一分光棱镜10,将1.06μm激光脉冲能量分成20%:80%两部分。20%部分将进入设置在第一分光棱镜10之后的拉曼激光耦合腔,其内部设置有掺钕钒酸钆Nd:GdVO4拉曼晶体12,20%部分的激光端面泵浦于GdVO4拉曼晶体12,产生本振1.17μm拉曼激光,这里拉曼激光器的输出光束质量与泵浦输入光的光束质量相近似。拉曼激光耦合腔内设计耦合透镜组,用于实现拉曼激光耦合腔的泵浦光和振荡光模式匹配。GdVO4拉曼晶体12沿a轴方向切割,晶体的掺杂原子数分数为0.2%,两端截面镀有1000-1200nm的增透膜,上述所有晶体均用通水的金属块包裹,水温恒为18℃。拉曼激光耦合腔由全反镜M3和输出镜M4组成,全反镜M3镀有1.17μm激光的高反膜,反射率R>99.8%,输出镜M4镀有1.17μm激光的增透膜。这部分是1.17μm拉曼激光的振荡级,产生拉曼种子激光。
另外80%部分的1.06μm激光将沿垂直光路经过第二45°反射镜18反射后,被2:8分振幅的第二分光棱镜19分成20%:80%两部分。输出镜M4之后依次设置有第一45°反射镜14、第二电光调Q晶体15、拉曼放大模块16和输出镜M5。第一45°反射镜14镀有1.06μm激光的高反膜和1.17μm激光的增透膜,80%部分的1.06μm激光经过第一45°反射镜14反射后,作为1.17μm拉曼种子激光的泵浦光,通过拉曼放大模块16,形成行波放大,放大后的1.17μm拉曼激光通过输出镜M5输出;20%部分的1.06μm激光通过第三45°反射镜21反射到输出镜M5后,得到1.06μm激光输出。输出镜M5的左侧镀有1.06μm激光的高反膜,右侧镀有1.17μm激光的增透膜。
第二电光调Q晶体15和第三电光调Q晶体20由同一电源模块控制,且二者受电压驱动的方式相反。若第三电光调Q晶体20为升压式电光调Q晶体,则第二电光调Q晶体15为退压式电光调Q晶体;若第三电光调Q晶体20为退压式电光调Q晶体,则第二电光调Q晶体15为升压式电光调Q晶体。以第三电光调Q晶体20为升压式为例,注入晶压,调Q晶体处于开门状态;退除晶压,调Q晶体处于关门状态。第二电光调Q晶体15刚好与之相反。通过波形发生器,使得电光调Q晶体的开关电源脉冲前沿<100ns,能够实现跳频响应时间100ns以内。合理的设置光路长度,使得上光路和下光路的光程相等,进而使电源模块起到单刀双掷开关的作用,保证同一时间内,仅有一路光能够输出。
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型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器,其特征在于:包括激光谐振腔,激光谐振腔内依次设置第一电光调Q晶体、起偏器和泵浦模块,激光谐振腔之后依次设置第一分光棱镜、拉曼激光耦合腔、第一45°反射镜、第二电光调Q晶体、拉曼放大模块和输出镜M5,拉曼激光耦合腔中设置有拉曼晶体,与第一分光棱镜并排的位置设置第二45°反射镜,与第一45°反射镜并排的位置设置第二分光棱镜,与输出镜M5并排的位置设置第三45°反光镜,在第二分光棱镜和第三45°反光镜之间设置有第三电光调Q晶体,第二电光调Q晶体和第三电光调Q晶体由同一电源模块控制且电压驱动方式相反。
2.如权利要求1所述的百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器,其特征在于:所述泵浦模块由两组完全相同的激光介质和泵浦光源进行串接,泵浦光源环绕在激光介质外侧,两组激光介质和泵浦光源之间加入90°旋光器。
3.如权利要求2所述的百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器,其特征在于:所述激光介质为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG圆柱晶体,直径为10mm,长度为40mm,其掺杂原子数分数为1%,两端截面均镀有波长1000~1100nm的增透膜。
4.如权利要求2所述的百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器,其特征在于:所述泵浦光源为808nm的激光二极管阵列LDA。
5.如权利要求1所述的百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器,其特征在于:所述激光谐振腔为全反镜M1和输出镜M2组成的平凹腔,全反镜M1镀有808nm激光的高反膜和1.06μm激光的高反膜,输出镜M2镀有1.06μm激光的增透膜。
6.如权利要求1所述的百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器,其特征在于:所述第一电光调Q晶体的长度为30mm,两端镀有1.06μm激光的增透膜。
7.如权利要求1所述的百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器,其特征在于:所述第一分光棱镜和第二分光棱镜均为2:8分振幅分光棱镜。
8.如权利要求1所述的百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器,其特征在于:所述拉曼激光耦合腔由全反镜M3、输出镜M4和耦合透镜组组成,全反镜M3镀有1.17μm激光的高反膜,输出镜M4镀有1.17μm激光的增透膜。
9.如权利要求1所述的百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器,其特征在于:所述拉曼晶体为沿a轴方向切割的掺钕钒酸钆Nd:GdVO4晶体,其掺杂原子数分数为0.2%,两端截面镀有波长1000~1200nm的增透膜。
10.如权利要求1所述的百纳秒级快速切换的双波长拉曼激光器,其特征在于:所述输出镜M5的左侧镀有1.06μm激光的高反膜,右侧镀有1.17μm激光的增透膜。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200602 |
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