CN116387942B - 一种纵模交叉合成的钠信标激光器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纵膜交叉合成的钠信标激光器装置，包括第一钠信标激光模块、第二钠信标激光模块和合束模块；第一钠信标激光模块输出的第一钠信标激光与第二钠信标激光模块输出的第二钠信标激光经合束模块合束后输出第三钠信标激光，其中，第一钠信标激光与第二钠信标激光具有频率差和/或第一钠信标激光与第二钠信标激光的纵膜间隔不同。实现了在光谱线宽基本不变的情况下，有效增加钠信标激光器输出的纵模数量，光谱会出现纵模交叉叠加，充分匹配激发钠原子的辐射谱线，极大增加了双峰谱型匹配微秒脉冲钠导引星激光的回波效率，能够产生亮度更高的钠导引星。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，更具体地，涉及一种纵模交叉合成的钠信标激光器装置。
背景技术
钠信标激光可以激发海拔约100 km大气层中的钠原子产生高亮度的钠导引星，用来探测大气扰动引起的波前畸变,再通过自适应光学系统进行校正，从而显著提高地基光学望远镜的成像分辨率。相比连续波钠信标激光，微秒脉冲钠信标激光可采用时间选通技术，消除低层大气的瑞利散射噪音，实现高信噪比、高精度的波前探测。自适应光学校正要求微秒脉冲激光能够高效激发大气电离层的钠原子实现高的回波光子数，即能够产生足够亮度的钠导引星。
根据钠原子超精细光谱结构，通过激光精密对准钠原子实现D2a和D2b双峰谱线同时激发可大大提高钠导星的亮度。然而，D2b二次泵浦对激光的光谱要求较为严格，微秒脉冲激光由于比连续波激光峰功率高1个量级，激光增益更高，会导致钠原子D2a和D2b双峰激发后出现饱和效应，产生双峰泵浦的饱和激发现象，大大降低钠导引星激光的回波效率。
发明内容
本发明提供一种纵模交叉合成的钠信标激光器装置，以解决导致钠原子D2a和D2b双峰激发后出现饱和效应，产生双峰泵浦的饱和激发现象，大大降低钠导引星激光的回波效率的技术问题。
本发明提供一种纵模交叉合成的钠信标激光器装置，包括第一钠信标激光模块、第二钠信标激光模块和合束模块；
第一钠信标激光模块输出的第一钠信标激光与第二钠信标激光模块输出的第二钠信标激光经合束模块合束后输出第三钠信标激光，其中，第一钠信标激光与第二钠信标激光具有频率差和/或第一钠信标激光与第二钠信标激光的纵模间隔不同。
根据本发明提供的钠信标激光器装置，第一钠信标激光模块包括第一1064nm激光单元与第一1319nm激光单元；
通过调整第一1064nm激光单元的谐振腔的腔长和/或第一1319nm激光单元的谐振腔的腔长以使第一钠信标激光与第二钠信标激光的纵模间隔不同。
根据本发明提供的钠信标激光器装置，通过调整第一1064nm激光单元的标准具和/或第一1319nm激光单元的标准具以使第一钠信标激光与第二钠信标激光具有频率差。
根据本发明提供的钠信标激光器装置，第二钠信标激光模块包括第二1064nm激光单元与第二1319nm激光单元；
通过调整第二1064nm激光单元的谐振腔的腔长和/或第二1319nm激光单元的谐振腔的腔长以使第一钠信标激光与第二钠信标激光的纵模间隔不同。
根据本发明提供的钠信标激光器装置，通过调整第二1064nm激光单元的标准具和/或第二1319nm激光单元的标准具以使第一钠信标激光与第二钠信标激光具有频率差。
根据本发明提供的钠信标激光器装置，合束模块包括：
第一反射镜，设置于第一钠信标激光的光路上，用于反射第一钠信标激光；
第一旋光组件，设置于第二钠信标激光的光路上，用于旋转第二钠信标激光的振动方向；
第一偏振片，具有相对的第一表面和第二表面，第一表面镀有水平偏振钠信标激光高透膜，第二表面镀有水平偏振钠信标激光高透膜垂直偏振钠信标激光高反膜，第一钠信标激光经第一反射镜反射至第一表面，第二钠信标激光经第一旋光组件后入射至第二表面后，与第一钠信标激光进行合束，输出第三钠信标激光。
根据本发明提供的钠信标激光器装置，合束模块包括第二旋光组件与合束棱镜；
第二旋光组件设置于第一钠信标激光的光路上，用于旋转第一钠信标激光的振动方向，将其改变为水平偏振；
合束棱镜包括相对设置的第一面和第二面，以及连接第一面和第二面且相对设置的第三面、第四面；
第一面镀有水平偏振钠信标激光高透膜以及垂直偏振钠信标光高反膜；第三面镀有垂直偏振钠信标激光高透膜；第二面镀有垂直偏振钠信标激光高反膜；第四面镀有钠信标激光高透膜；
第一钠信标激光经第二旋光组件后，入射至第一面，第二钠信标激光入射至第三面再经第二面反射至第一面，第一钠信标激光和第二钠信标激光在第一面合束，经第四面输出合束棱镜形成第三钠信标激光。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
由此可见，本发明提供的纵模交叉合成纵模交叉合成的钠信标激光器装置，实现了在光谱线宽基本不变的情况下，有效增加钠信标激光器输出的纵模数量，光谱会出现纵模交叉叠加，充分匹配激发钠原子的辐射谱线，极大增加了双峰谱型匹配微秒脉冲钠导引星激光的回波效率，能够产生亮度更高的钠导引星。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作一简单地介绍。
图1是根据本发明提供的一种纵模交叉合成的钠信标激光器装置结构示意图；
图2是根据本发明的钠信标激光器装置提供的一种纵模模式示意图；
图3是根据本发明的钠信标激光器装置提供的另一种纵模模式示意图；
图4是根据本发明提供的一种第一钠信标激光模块的结构示意图；
图5是根据本发明提供的另一种纵模交叉合成的钠信标激光器装置结构示意图
图6是根据本发明提供的又一种纵模交叉合成的钠信标激光器装置结构示意图。
附图标记：
100-第一钠信标激光模块，110-第一钠信标激光，120-第一1064nm激光单元，121-第一1064nm激光增益介质，122-第一1064nm激光反射镜，123-第一1064nm激光输出镜，124-第一1064nm激光标准具；130-第一1319nm激光单元，131-第一1319nm激光增益介质，132-第一1319nm激光反射镜，133-第一1319nm激光输出镜，134-第一1319nm激光标准具，140-和频组件；
200-第二钠信标激光模块，210-第二钠信标激光；
300-合束模块，310-第三钠信标激光，320-第一反射镜，330-第一旋光组件，340-第一偏振片，350-第二旋光组件，360-合束棱镜,361-第一面，362-第二面，363-第三面，364-第四面。
具体实施方式
在附图中示出了根据本发明实施例的纵模交叉合成的钠信标激光器装置等示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的激光器腔体上的特殊结构、光学器件的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面结合图1至图6描述本发明提供的一种纵模交叉合成的钠信标激光器装置。
如图1至图3所示，本实施例的纵模交叉合成的钠信标激光器装置包括第一钠信标激光模块100、第二钠信标激光模块200和合束模块300。第一钠信标激光模块100用于输出第一钠信标激光110，第二钠信标激光模200块用于输出第二钠信标激光210。第一钠信标激光110与第二钠信标激光210再经合束模块300进行合束后，输出第三钠信标激光310。如图2和图3所示，第一钠信标激光110与第二钠信标激光210具有频率差和/或第一钠信标激光与第二钠信标激光的纵模间隔不同。
结合图2和图3分析，本实施例的钠信标激光系统，两束具有频率差或者纵模间隔不同的钠信标激光经合束模块输出纵模交叉合成的第三钠信标激光，实现了在光谱线宽基本不变的情况下，有效增加钠信标激光器输出的纵模数量，光谱会出现纵模交叉叠加，充分匹配激发钠原子的辐射谱线，极大增加了双峰谱型匹配微秒脉冲钠导引星激光的回波效率，能够产生亮度更高的钠导引星。
请参阅图4所示，第一钠信标激光模块100包括第一1064nm激光单元120、第一1319nm激光单元130与和频组件140。第一1064nm激光单元120产生的1064nm激光与第一1319nm激光单元130产生的1319nm激光经和频组件140和频后产生第一钠信标激光110。
第一1064nm激光单元120包括第一1064nm激光增益介质121，位于其两侧的第一1064nm激光反射镜122和第一1064nm激光输出镜123，以及位于第一1064nm激光增益介质121与第一1064nm激光输出镜123之间的第一1064nm激光标准具124，其中第一1064nm激光反射镜122和第一1064nm激光输出镜形123成第一1064nm激光单元的谐振腔。
第一1319nm激光单元130包括第一1319nm激光增益介质131，位于其两侧的第一1319nm激光反射镜132和第一1319nm激光输出镜133，以及位于第一1319nm激光增益介质131与第一1319nm激光输出镜133之间的第一1319nm激光标准具134，其中第一1319nm激光反射镜132和第一1319nm激光输出镜形成133第一1319nm激光单元的谐振腔。
在一些实施例中，可以通过调整第一1064nm激光单元的谐振腔的腔长和/或第一1319nm激光单元的谐振腔的腔长以使第一钠信标激光与第二钠信标激光的纵模间隔不同。
通过调整谐振腔长度来调谐输出激光的纵模间隔，公式（1）为输出激光的纵模间隔与谐振腔之间的关系，式中Δv为输出激光的纵模间隔，c为光速，n为折射率，l为谐振腔长度。
（1）
通过调整使得第一钠信标激光与第二钠信标激光纵模间隔不同，再通过合束模块合束后，形成的第三钠信标激光的激光纵模模式如图2所示，有效增加了第三钠信标激光的纵模数量，光谱会出现纵模交叉叠加，充分匹配激发钠原子的辐射谱线，极大增加了双峰谱型匹配微秒脉冲钠导引星激光的回波效率，能够产生亮度更高的钠导引星。
在一些实施例中，还可以通过调整第一1064nm激光单元的标准具124和/或第一1319nm激光单元的标准具134以使第一钠信标激光110与第二钠信标激光210具有频率差。具体的，通过调整第一1064nm激光标准具124与第一1319nm激光标准具134任一个或两个的角度和温度两种方法来精确调谐输出激光的频率。
角度调节法：在实际操作中将标准具固定在PZT和电动转台上，精确控制其倾角（即改变入射光线与法线的夹角θ），公式（1）为频率变化与
（1）
夹角的关系，式中c为光速，f为频率。
温度调节法：标准具有其对应的高精度温度控制系统，改变标准具的温度进而改变其厚度和折射率，公式（2）为频率与温度变化的关系，式中c为光速，f为频率，d为标准具厚度，n为标准具折射率，T为温度。
（2）
通过调整使得第一钠信标激光110与第二钠信标激光具210有频率差，再通过合束模块300合束后，形成的第三钠信标激光310的激光纵模模式如图3所示，在光谱线宽基本不变的情况下，有效增加了钠导引星激光器输出的纵模数量，能够获得更高的回波流量。
上述实施例中，可以利用波长计进行鉴频来反馈调谐第一1064nm激光单元120和第一1319nm激光单元130的谐振腔和标准具，从而实现经和频模块300和频后输出的钠信标激光纵模间隔以及频率的调谐。
上述实施例中，第一钠信标激光模块100输出的第一钠信标激光110频率的精确调谐是由第一1064nm激光单元120以及第一1319nm激光单元130中的标准具来完成的。可以采用高精度波长计探测第一钠信标激光110，调整第一1064nm激光单元120以及第一1319nm激光单元130中的标准具的角度以及温度来实现第一钠信标激光模块100输出的第一钠信标激光110频率的精确调谐。首先通过控制第一1319nm激光单元130内标准具的温度将1319nm激光波长固定在1319.172nm,因为在此波长下1319nm激光的输出功率高于其他可获得的波长下的输出功率。其次控制第一1064nm激光单元120内标准具的角度以及温度使波长从1064.625nm线性增加到1064.651nm,对应和频后第一/第二出射激光波长调谐范围从589.15398nm到589.16211nm,其中通过对角度的精确控制可实现波长调谐精度0.03PM即频率调谐精度50Mhz。
第二钠信标激光模块200包括第二1064nm激光单元与第二1319nm激光单元；通过调整第二1064nm激光单元的谐振腔的腔长和/或第二1319nm激光单元的谐振腔的腔长以使第一钠信标激光与第二钠信标激光的纵模间隔不同。还可以通过调整第二1064nm激光单元的标准具和/或第二1319nm激光单元的标准具以使第一钠信标激光110与第二钠信标激光210具有频率差。第二钠信标激光模块200与第一钠信标激光模块110的结构类似，调节方式也可以参照上述第一钠信标激光模块的实施例，再次不再赘述。
需要说明的是，上述几个实施例可以相互叠加，在调节标准具的同时也可以调节谐振腔的腔长，以使第一钠信标激光110与第二钠信标激光210具有频率差以及第一钠信标激光110与第二钠信标激光210的纵模间隔不同。
本发明提出纵模交叉合成的钠信标激光系统，可以在不增加光谱线宽的同时，有效增加钠导引星激光器输出的纵模数量，通过利用钠原子不同频率的增益谱线来获得更高的回波流量。本申请通过控制激光种子源谐振腔的长度和腔内标准具的厚度，进而精确调节两台钠导引星激光器输出的纵模间隔，在保证线宽基本不变的情况下，光谱会出现纵模交叉叠加，充分匹配激发钠原子的辐射谱线，极大增加了双峰谱型匹配微秒脉冲钠导引星激光的回波效率，提高了钠导引星的亮度。
下面以两个具体实施例来对本发明的纵模交叉合成的钠信标激光器装置进行说明。
实施例1
如图5所示，为本发明实施例提供的一种纵模交叉合成的钠信标激光器装置，包括：第一钠信标激光模块100；第二钠信标激光模块200；合束模块300；其中合束模块300包括第一反射镜320；第一旋光组件330；第一偏振片340。第一钠信标激光模块100和第二钠信标激光模块200用于输出垂直偏振钠信标激光。第一反射镜320表面镀有钠信标激光高反膜，置于第一钠信标激光模块100后，与第一钠信标激光110传输方向成45°放置，用于反射第一钠信标激光110。第一旋光组件330为半波片，置于第二钠信标激光模块200后，与第二钠信标激光210传输方向正交放置，用于旋转第二钠信标激光210的振动方向。第一偏振片340镀有垂直偏振钠信标激光高反膜，水平偏振钠信标激光高透膜，置于第一旋光组件330后，与第二钠信标激光210传输方向成45°放置。第一钠信标激光模块100和第二钠信标激光模块200输出垂直偏振钠信标激光,线宽约300MHz，其纵模间隔约150MHz。第一钠信标激光110经第一反射镜320反射至第一偏振片340；第二钠信标激光210经过第一旋光组件340，激光的偏振方向由垂直变为水平；第一偏振片340透射水平偏振光反射垂直偏振光，第一钠信标激光110和第二钠信标激光210经过第一偏振片340完成合束。
在实施例1中，保持第二钠信标激光210纵模间距以及中心频率不变，调整第一钠信标激光模块100中第一1064nm激光单元120与第一1319nm激光单元130的标准具，在输出激光纵模间距不变的情况下精确调节第以钠信标激光110的频率，合束之后激光纵模模式如图2所示，有效增加了钠信标激光器装置输出的纵模数量。
实施例2
如图6所示，为本发明实施例提供的另外一种纵模交叉合成的钠信标激光器装置，包括：第一钠信标激光模块100；第二钠信标激光模块200；合束模块300；其中合束模块300包括第二旋光组件350;合束棱镜361。其中合束棱镜360包括相对设置的第一面361和第二面362，以及连接所述第一面361和第二面362且相对设置的第三面363、第四面364。第一钠信标激光模块100和第二钠信标激光模块200用于输出垂直偏振钠信标激光，第二旋光组件350为半波片，置于第一钠信标激光模块100后，与第一钠信标激光110传输方向正交放置，用于旋转第一钠信标激光110的振动方向。合束棱镜360的所述第一面361镀有水平偏振钠信标激光高透膜以及垂直偏振钠信标光高反膜；所述第三面363镀有垂直偏振钠信标激光高透膜；所述第二面362镀有垂直偏振钠信标激光高反膜；所述第四面364镀有钠信标激光高透膜。
所述第一钠信标激光110经所述第二旋光组件350后偏振方向由水平改变为垂直，入射至所述第一面361，所述第二钠信标激光210入射至所述第三面363再经所述第二面362反射至所述第一面361，所述第一钠信标激光110和所述第二钠信标激光210在所述第一面361合束，经所述第四面363射出所述合束棱镜360，形成所述第三钠信标激光310。
在实施例2中，保持第二钠信标激光210纵模间隔以及中心频率不变，调整第一钠信标激光模块200中第一1064nm激光单元121与第一1319nm激光单元130的谐振腔和标准具，精确调节第一钠信标激光110的纵模间隔以及中心波长，合束之后激光纵模模式如图3所示，在光谱线宽基本不变的情况下，有效增加了钠信标激光器装置输出的纵模数量，能够获得更高的回波流量。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (7)
1.一种纵模交叉合成的钠信标激光器装置，其特征在于，包括第一钠信标激光模块、第二钠信标激光模块和合束模块；
所述第一钠信标激光模块输出的第一钠信标激光与所述第二钠信标激光模块输出的第二钠信标激光经所述合束模块合束后输出第三钠信标激光，其中，所述第一钠信标激光与所述第二钠信标激光具有频率差和/或所述第一钠信标激光与所述第二钠信标激光的纵模间隔不同。
2.根据权利要求1所述的钠信标激光器装置，其特征在于，所述第一钠信标激光模块包括第一1064nm激光单元与第一1319nm激光单元；
所述第一1064nm激光单元包括第一1064nm激光增益介质，位于其两侧的第一1064nm激光反射镜和第一1064nm激光输出镜，以及位于所述第一1064nm激光增益介质与所述第一1064nm激光输出镜之间的第一1064nm激光标准具，其中所述第一1064nm激光反射镜和所述第一1064nm激光输出镜形成所述第一1064nm激光单元的谐振腔；
所述第一1319nm激光单元包括第一1319nm激光增益介质，位于其两侧的第一1319nm激光反射镜和第一1319nm激光输出镜，以及位于所述第一1319nm激光增益介质与所述第一1319nm激光输出镜之间的第一1319nm激光标准具，其中所述第一1319nm激光反射镜和所述第一1319nm激光输出镜形成所述第一1319nm激光单元的谐振腔；
通过调整所述第一1064nm激光单元的谐振腔的腔长和/或所述第一1319nm激光单元的谐振腔的腔长以使所述第一钠信标激光与所述第二钠信标激光的纵模间隔不同。
3.根据权利要求2所述的钠信标激光器装置，其特征在于，通过调整所述第一1064nm激光单元的标准具和/或第一1319nm激光单元的标准具以使所述第一钠信标激光与所述第二钠信标激光具有频率差。
4.根据权利要求1所述的钠信标激光器装置，其特征在于，所述第二钠信标激光模块包括第二1064nm激光单元与第二1319nm激光单元；
所述第二1064nm激光单元包括第二1064nm激光增益介质，位于其两侧的第二1064nm激光反射镜和第二1064nm激光输出镜，以及位于所述第二1064nm激光增益介质与所述第二1064nm激光输出镜之间的第二1064nm激光标准具，其中所述第二1064nm激光反射镜和所述1064nm激光输出镜形成所述第二1064nm激光单元的谐振腔；
所述第二1319nm激光单元包括第二1319nm激光增益介质，位于其两侧的第二1319nm激光反射镜和第二1319nm激光输出镜，以及位于所述第二1319nm激光增益介质与所述第二1319nm激光输出镜之间的第二1319nm激光标准具，其中所述第二1319nm激光反射镜和所述第二1319nm激光输出镜形成所述第二1319nm激光单元的谐振腔；
通过调整所述第二1064nm激光单元的谐振腔的腔长和/或所述第二1319nm激光单元的谐振腔的腔长以使所述第一钠信标激光与所述第二钠信标激光的纵模间隔不同。
5.根据权利要求4所述的钠信标激光器装置，其特征在于，通过调整所述第二1064nm激光单元的标准具和/或第二1319nm激光单元的标准具以使所述第一钠信标激光与所述第二钠信标激光具有频率差。
6.根据权利要求1所述的钠信标激光器装置，其特征在于，所述合束模块包括：
第一反射镜，设置于所述第一钠信标激光的光路上，用于反射第一钠信标激光；
第一旋光组件，设置于所述第二钠信标激光的光路上，用于旋转第二钠信标激光的振动方向；
第一偏振片，具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面镀有水平偏振钠信标激光高透膜，所述第二表面镀有水平偏振钠信标激光高透膜垂直偏振钠信标激光高反膜，所述第一钠信标激光经所述第一反射镜反射至所述第一表面，所述第二钠信标激光经所述第一旋光组件后入射至所述第二表面后，与第一钠信标激光进行合束，输出第三激光。
7.根据权利要求1所述的钠信标激光器装置，其特征在于，所述合束模块包括第二旋光组件与合束棱镜；
第二旋光组件设置于所述第一钠信标激光的光路上，用于旋转所述第一钠信标激光的振动方向，将其改变为水平偏振；
合束棱镜包括相对设置的第一面和第二面，以及连接所述第一面和第二面且相对设置的第三面、第四面；
所述第一面镀有水平偏振钠信标激光高透膜以及垂直偏振钠信标光高反膜；所述第三面镀有垂直偏振钠信标激光高透膜；所述第二面镀有垂直偏振钠信标激光高反膜；所述第四面镀有钠信标激光高透膜；
所述第一钠信标激光经所述第二旋光组件后，入射至所述第一面，所述第二钠信标激光入射至所述第三面再经所述第二面反射至所述第一面，所述第一钠信标激光和所述第二钠信标激光在所述第一面合束，经所述第四面输出所述合束棱镜形成所述第三钠信标激光。
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