CN112467509A - 一种机载测距与照射用的热稳定激光器 - Google Patents

一种机载测距与照射用的热稳定激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种机载测距与照射用的热稳定激光器，通过对谐振腔内增加偏振控制器件，使得激光器在测距5Hz工作模式下输出P光，而在照射20Hz重频工作下输出S光，两条光路独立输出，分别进行调试，通过设计两种不同曲率的半反镜能对不同重频下激光晶体的热焦距进行补偿，以此来保证激光输出的性能指标良好，并且两条光路的输出端都各放置了双光楔，可以分别对5Hz/20Hz工作模式下的激光光轴进行调整，经过偏振分光棱镜耦合后实现了共孔径的输出。本发明实现了P光与S光双路的独立输出，两路光束共用相同的侧泵构型聚光腔和全反镜，能对不同重频工作下的激光晶体热效应进行完全补偿，可以对两种重频输出时的激光光轴进行条件，能消除热效应下光轴漂移等问题。

Description

一种机载测距与照射用的热稳定激光器
技术领域
本发明属于全固态固体激光器技术领域，涉及一种机载测距与照射用的热稳定激光器，特别是涉及一种机载环境用于测距和照射用的热稳定激光器构型。
背景技术
激光具有良好的偏振特性，电光调Q技术的运用就是基于激光器谐振腔内的偏振调制来实现的，谐振腔内增加偏振分光棱镜起偏和检偏的作用、电光调Q晶体、四分之一波片来控制谐振腔内的损耗，腔内损耗大时，激光上能级会形成大量的反转粒子数，此时不输出激光，通过调Q晶体施加四分之一波电压，使得腔内损耗变小，大量反转粒子数受激辐射急剧增强，实现激光巨脉冲输出，压窄了脉冲宽度，提高了输出的峰值功率。电光晶体除了运用其四分之一波电压进行电光调Q外，还能通过施加半波电压来控制谐振腔内的偏振状态，实现对激光输出P偏振光与S偏振光的单独控制。
激光工作物质晶体在不同工作重频注入下的热效应不同，当泵浦的脉冲能量很大时，即使低重频工作，其热效应依旧严重，当谐振腔设计属于热灵敏谐振腔时，工作重频的改变会很大程度地影响了激光输出的性能，在机载环境下，这种影响会越发严重，主要有激光发散角变大，会影响测距的性能；激光发射光轴不一致，其影响效果会更加严重，会导致了某种工作重频下无法获得回波信号，使得产品丧失了测距性能。
机载测距和照射一般会将激光器工作在两种不同的重频通常上测距使用的重复频率为5Hz，而照射使用的重复频率为20Hz,激光晶体工作在不同重频下会有不同的热效应，此热效应带来的效果主要有：一、影响了激光输出性能如激光能量/发散角；二、影响了激光输出光轴的指向一致性不同重频下光轴不一致。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种机载测距与照射用的热稳定激光器，通过在电光调Q激光器内增加一个电光晶体进行偏振状态的切换，使得激光以P光和S光两路分别独立进行输出，两种光路可以分别进行光轴调制，同时也可以通过两种腔型的设计来补偿不同重频工作下激光晶体的热效应，能解决激光工作物质在不同重频下激光发散角变差与光轴漂移的问题。
技术方案
一种机载测距与照射用的热稳定激光器、其特征在于包括P路和S路两路激光，激光P路依次为：第一偏振分光棱镜1、P路双光楔2、P路半反镜3、第二偏振分光棱镜4、磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体5、侧泵构型聚光腔6、第三偏振分光棱镜7、铌酸锂LN电光调Q晶体8、四分之一波片9和全反镜10；激光S路依次为：第一偏振分光棱镜1、第四偏振分光棱镜11、S路双光楔12、S路半反镜13、第五偏振分光棱镜14、第二偏振分光棱镜4、磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体5、侧泵构型聚光腔6、第三偏振分光棱镜7、铌酸锂LN电光调Q晶体8、四分之一波片9和全反镜10；所述的第一偏振分光棱镜1与第四偏振分光棱镜11的放置位置相同，第二偏振分光棱镜4与第五偏振分光棱镜14的放置位置相同，第一偏振分光棱镜1与第二偏振分光棱镜4的放置位置对称相反。
所述第一偏振分光棱镜1、第二偏振分光棱镜4、第三偏振分光棱镜7、第四偏振分光棱镜11和第五偏振分光棱镜14相同、通光面镀1064nm增透膜、胶合面镀偏振分光膜；对P光的透过率要求:≥95％、对S光的反射率要求:≥99.5％、激光损伤阈值：≥800MW/cm2。
所述的P路双光楔2与S路双光楔12相同、通光面镀1064nm增透膜、光楔的楔角为30′。
所述P路半反镜3与S路半反镜13镀1064nm半反半透膜或镀高斯膜；P路半反镜3与S路半反镜13的曲率半径，与全反镜10能构成的谐振腔保证激光输出的性能参数能满足系统指标。
所述的磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体5，消光比：≥400：1，半波电压为3.2kV,晶体损伤阈值：≥600MW/cm2，环境温度适应性要求为:-45℃～60℃。
所述的侧泵构型聚光腔6的激光晶体为圆棒状的Nd:YAG晶体，侧泵构型聚光腔6采用风冷的方式进行散热，LD阵列最大工作重频为20Hz，泵浦阵列的放电脉宽为200μs，环境温度适应性要求为:-45℃～60℃,阵列可温控在高温，并对准泵浦中心波长808nm。
所述的铌酸锂LN电光调Q晶体8，消光比≥200：1，四分之一波电压为3.6kV,晶体损伤阈值：≥500MW/cm2,环境温度适应性要求为:-45℃～60℃。
所述的四分之一波片9为真零级四分之一波片。
所述的全反镜10镀1064nm全反射膜，反射率：≥99.8％。
所述的磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体5在5Hz工作时不能施加高压，在20Hz工作时需要施加20Hz的脉冲半波高压，高压持续比侧泵构型聚光腔6中阵列的放电时间高出1μs，设置为201μs。
有益效果
本发明提出的一种机载测距与照射用的热稳定激光器，通过对谐振腔内增加偏振控制器件，使得激光器在测距5Hz工作模式下输出P光，而在照射20Hz重频工作下输出S光，两条光路独立输出，分别进行调试，通过设计两种不同曲率的半反镜能对不同重频下激光晶体的热焦距进行补偿，以此来保证激光输出的性能指标良好，并且两条光路的输出端都各放置了双光楔，可以分别对5Hz/20Hz工作模式下的激光光轴进行调整，经过偏振分光棱镜耦合后实现了共孔径的输出。
本发明的优点是：本发明通过激光谐振腔内运用电光晶体进行线偏振光偏振方向的旋转，实现了P光与S光双路的独立输出，两路光束共用相同的侧泵构型聚光腔和全反镜，能对不同重频工作下的激光晶体热效应进行完全补偿，同时两路激光输出都带有双光楔，可以对两种重频输出时的激光光轴进行条件，能消除热效应下光轴漂移等问题。
附图说明
图1：机载测距与照射用的热稳定激光器构型图
其中：1——偏振分光棱镜，2——P路双光楔，3——P路半反镜，4——偏振分光棱镜，5——磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体，6——侧泵构型聚光腔，7——偏振分光棱镜，8——铌酸锂LN电光调Q晶体，9——四分之一波片，10——全反镜，11——偏振分光棱镜，12——S路双光楔，13——S路半反镜，13——第五偏振分光棱镜14。
图2：P光输出时的激光光路
此时6——侧泵构型聚光腔以5Hz重频泵浦发光，经过泵浦延时后8——铌酸锂LN电光调Q晶体以5Hz重频施加3.6kV四分之一波电压。
图3：S光输出时的激光光路
此时6——侧泵构型聚光腔以20Hz重频泵浦发光，经过泵浦延时后8——铌酸锂LN电光调Q晶体以20Hz重频施加3.6kV四分之一波电压，5——磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体与泵浦脉冲同步以20Hz重频施加3.2kV半波电压，高压持续时间为201μs。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的技术方案包括：第一偏振分光棱镜1，P路双光楔2，P路半反镜3，第二偏振分光棱镜4，磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体5，侧泵构型聚光腔6，第三偏振分光棱镜7，铌酸锂LN电光调Q晶体8，四分之一波片9,全反镜10,第四偏振分光棱镜11,S路双光楔12,S路半反镜13,第五偏振分光棱镜14。
电光调Q的激光器受到腔内偏振器件即第三偏振分光棱镜7的控制，其在腔内振荡的偏振状态是可以确定的，在谐振腔内增加一个电光晶体--磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体5，使其作为偏振方向转换器件，能控制激光从两个不同的方向进行输出。
当侧泵构型聚光腔6工作在5Hz重频时，磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体5上不加电压，P路半反镜3与全反镜10构成谐振腔，经第三偏振分光棱镜7，铌酸锂LN电光调Q晶体8，四分之一波片9三者进行P光电光调Q，谐振腔内P光产生振荡并输出动态激光，通过P路双光楔2，可调节在5Hz工作模式下激光的发射光轴能与激光天线的接收光轴相互匹配重合。
当侧泵构型聚光腔6工作在20Hz重频时，磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体5施加半波电压高压重频为20Hz,高压宽度为201μs，第三偏振分光棱镜7，铌酸锂LN电光调Q晶体8，四分之一波片9三者进行P光电光调Q，但是P光经过磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体5后偏振方向会旋转90°变成S偏振光，经过第二偏振分光棱镜4反射，使得S路半反镜13与全反镜10构成谐振腔并输出激光，通过S路双光楔12，可调节在20Hz工作模式下激光的发射光轴与激光天线的接收光轴相互匹配重合。
P路半反镜3、S路半反镜13与全反镜10构成两个谐振腔，通过合适的曲率设计，来对5Hz/20Hz工作模式下的热透镜效应进行补偿，能获得好的光束质量输出。
所述的五个偏振分光棱镜的通光面均镀1064nm增透膜，胶合面需镀偏振分光膜，对P光的透过率要求:≥95％，对S光的反射率要求:≥99.5％，激光损伤阈值：≥800MW/cm2。
所述的P路双光楔2与S路双光楔12相同，通光面需要镀1064nm增透膜，光楔的楔角为30′。
所述P路半反镜3与S路半反镜13需要镀1064nm半反半透膜，必要时需要镀高斯膜，根据腔型的增益与损耗选择最佳透过率此时激光输出的斜效率最高。
所述的磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体5，消光比：≥400：1，半波电压为3.2kV,晶体损伤阈值：≥600MW/cm2，环境温度适应性要求为:-45℃～60℃。
所述的侧泵构型聚光腔6，其中激光晶体为圆棒状的Nd:YAG晶体，其中的LD阵列能给激光棒提供足够的泵浦能量，侧泵构型聚光腔6采用风冷的方式进行散热，LD阵列最大工作重频为20Hz，泵浦阵列的放电脉宽为200μs，环境温度适应性要求为:-45℃～60℃,阵列可温控在高温，并对准泵浦中心波长808nm。
所述的一种机载测距与照射用的热稳定激光器，其特征在于，所述的铌酸锂LN电光调Q晶体8，消光比≥200：1，四分之一波电压为3.6kV,晶体损伤阈值：≥500MW/cm2,环境温度适应性要求为:-45℃～60℃。
所述的四分之一波片9为真零级四分之一波片。
所述的全反镜10需镀1064nm全反射膜，反射率：≥99.8％。P路半反镜3与S路半反镜13需依据工作物质5Hz/20Hz两种不同重频下的热透镜效应分别设计合适的曲率半径，与全反镜10构成的谐振腔能保证激光输出的性能参数功率/发散角最佳。
所述第一偏振分光棱镜1与第四偏振分光棱镜11的放置位置相同，第二偏振分光棱镜4与第五偏振分光棱镜14的放置位置相同，第一偏振分光棱镜1与第二偏振分光棱镜4的放置位置对称相反。
所述P路半反镜3与S路半反镜13需依据工作物质5Hz/20Hz两种不同重频下的热透镜效应分别设计合适的曲率半径，与全反镜10构成的谐振腔能保证激光输出的性能参数功率/发散角最佳。
所述磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体5在5Hz工作时不能施加高压，在20Hz工作时需要施加20Hz的脉冲半波高压，高压持续比侧泵构型聚光腔6中阵列的放电时间略高出1μs，可设置为201μs。
此激光器的组装过程如下：首先，对P路光进行调试，以侧泵构型聚光腔6中的激光棒中心为光轴基准，顺序安装侧泵构型聚光腔6、第一偏振分光棱镜1、第二偏振分光棱镜4、磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体5、第三偏振分光棱镜7、铌酸锂LN电光调Q晶体8、四分之一波片9等部件，调节各部件的俯仰和偏摆，使得其通光面中心与光轴重合，随后安装全反镜10与P路半反镜3，将侧泵构型聚光腔6以5Hz重频进行工作，精细调节全反镜10、P路半反镜3，使得P光输出的静态能量达至最大。然后依次安装第五偏振分光棱镜14、S路半反镜13、第四偏振分光棱镜11，安装过程中保证第五偏振分光棱镜14、S路半反镜13、第四偏振分光棱镜11三者通光光轴重合，且平行于P光的光轴；第五偏振分光棱镜14与第四偏振分光棱镜11相对于第二偏振分光棱镜4与第一偏振分光棱镜1之间的S光通光光轴与P光光轴相互垂直。将侧泵构型聚光腔6以20Hz重频进行工作，磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体5施加半波电压进行工作，精细调节S路半反镜13，使得S路输出的静态能量达至最大。旋转四分之一波片使得谐振腔处于关门状态，最后安装已经归零校准后的P路双光楔2与S路双光楔3。转动调节光楔，使得P光与S光两种重频下的光轴与激光天线光轴重合。

Claims (10)

1.一种机载测距与照射用的热稳定激光器、其特征在于包括P路和S路两路激光，激光P路依次为：第一偏振分光棱镜(1)、P路双光楔(2)、P路半反镜(3)、第二偏振分光棱镜(4)、磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体(5)、侧泵构型聚光腔(6)、第三偏振分光棱镜(7)、铌酸锂(LN)电光调Q晶体(8)、四分之一波片(9)和全反镜(10)；激光S路依次为：第一偏振分光棱镜(1)、第四偏振分光棱镜(11)、S路双光楔(12)、S路半反镜(13)、第五偏振分光棱镜(14)、第二偏振分光棱镜(4)、磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体(5)、侧泵构型聚光腔(6)、第三偏振分光棱镜(7)、铌酸锂LN电光调Q晶体(8)、四分之一波片(9)和全反镜(10)；所述的第一偏振分光棱镜(1)与第四偏振分光棱镜(11)的放置位置相同，第二偏振分光棱镜(4)与第五偏振分光棱镜(14)的放置位置相同，第一偏振分光棱镜(1)与第二偏振分光棱镜(4)的放置位置对称相反。
2.根据权利要求1所述机载测距与照射用的热稳定激光器、其特征在于：所述第一偏振分光棱镜(1)、第二偏振分光棱镜(4)、第三偏振分光棱镜(7)、第四偏振分光棱镜(11)和第五偏振分光棱镜(14)相同、通光面镀1064nm增透膜、胶合面镀偏振分光膜；对P光的透过率要求:≥95％、对S光的反射率要求:≥99.5％、激光损伤阈值：≥800MW/cm2。
3.根据权利要求1所述机载测距与照射用的热稳定激光器、其特征在于：所述的P路双光楔(2)与S路双光楔(12)相同、通光面镀1064nm增透膜、光楔的楔角为30′。
4.根据权利要求1所述机载测距与照射用的热稳定激光器、其特征在于：所述P路半反镜(3)与S路半反镜(13)镀1064nm半反半透膜或镀高斯膜；P路半反镜(3)与S路半反镜(13)的曲率半径，与全反镜(10)能构成的谐振腔保证激光输出的性能参数能满足系统指标。
5.根据权利要求1所述机载测距与照射用的热稳定激光器、其特征在于：所述的磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体(5)，消光比：≥400：1，半波电压为3.2kV,晶体损伤阈值：≥600MW/cm2，环境温度适应性要求为:-45℃～60℃。
6.根据权利要求1所述机载测距与照射用的热稳定激光器、其特征在于：所述的侧泵构型聚光腔(6)的激光晶体为圆棒状的Nd:YAG晶体，侧泵构型聚光腔(6)采用风冷的方式进行散热，LD阵列最大工作重频为20Hz，泵浦阵列的放电脉宽为200μs，环境温度适应性要求为:-45℃～60℃,阵列可温控在高温，并对准泵浦中心波长808nm。
7.根据权利要求1所述机载测距与照射用的热稳定激光器、其特征在于：所述的铌酸锂LN电光调Q晶体(8)，消光比≥200：1，四分之一波电压为3.6kV,晶体损伤阈值：≥500MW/cm2,环境温度适应性要求为:-45℃～60℃。
8.根据权利要求1所述机载测距与照射用的热稳定激光器、其特征在于：所述的四分之一波片(9)为真零级四分之一波片。
9.根据权利要求1所述机载测距与照射用的热稳定激光器、其特征在于：所述的全反镜(10)镀1064nm全反射膜，反射率：≥99.8％。
10.根据权利要求1所述机载测距与照射用的热稳定激光器、其特征在于：所述的磷酸钛氧铷RTP电光开关晶体(5)在5Hz工作时不能施加高压，在20Hz工作时需要施加20Hz的脉冲半波高压，高压持续比侧泵构型聚光腔(6)中阵列的放电时间高出1μs，设置为201μs。
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