CN207947480U - 一种调制纵模全固态和频钠信标激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种调制纵模全固态和频钠信标激光器，属于全固态和频钠信标激光器技术领域，包括光轴相互平行的1064nm激光组件和1319nm激光组件以及调制组件，所述调制组件包括电光相位调制器和白噪声源，本实用新型采用白噪声源作为电光相位调制器的驱动源，所获取的调制纵模在频域上具有高占空比连续展宽的优点，其能激发的钠原子速度群数量相较于单纵模激光可增加约2个量级，相较于多纵模激光可增加约1个量级，从而实现高功率钠信标激光器高效率回光产生与探测。

Description

一种调制纵模全固态和频钠信标激光器

技术领域

本实用新型属于全固态和频钠信标激光器技术领域，具体地说涉及一种调制纵模全固态和频钠信标激光器。

背景技术

当589nm黄光激光照射距离地面高度90km～100km的大气中圈钠层时，将产生较强的后向共振散射回光，它可以为自适应光学系统提供人造导引星——钠信标。基于1064nm与1319nm两束全固态近红外激光和频，是产生钠信标激光器的有效途径，我们可以把该类型激光器称之为全固态和频钠信标激光器。为了提高钠导星的回光效率和回光亮度，需将全固态和频钠信标激光器的中心波长及线宽与钠原子最强吸收线D₂线匹配，即需要精确控制1064nm与1319nm两束基频激光的中心波长和线宽。

钠原子D₂吸收线包括D_2a线(真空波长589.15905nm)和D_2b线(真空波长589.15709nm)两个峰值，两者频率相差1.772GHz，共振吸收散射截面之比为5： 3，自然线宽为10MHz，并且由于多普勒效应D_2a线与D_2b线均展宽至约1.2GHz，整个D₂吸收线展宽为半峰全宽约3GHz的双驼峰状光谱。因此，钠信标激光器的中心波长通常设计对准D_2a线，线宽小于3GHz。由于中心波长与线宽均与激光器纵模密切相关，因此，钠信标激光器与普通全固态激光器的一个重要区别就是要求对其纵模进行精确控制。

纵模通常分为单纵模与多纵模两种结构，当前国内外全固态和频钠信标激光器的纵模大多为该两种结构。其中，单纵模钠信标激光器的线宽通常远小于钠原子自然线宽(10MHz)，其优点是仅有一个纵模，可将激光波长调谐对准钠原子吸收谱的最强吸收峰，获取最大的共振吸收散射截面；缺点是只能激发一个速度群的钠原子，当钠信标激光器光强增大时极易发生吸收饱和(饱和光强阈值62.4W/m²)。多纵模钠信标激光器的线宽通常为GHz量级，包含数个至数十个纵模，这些纵模以固定的频率间隔呈现梳状离散分布，它与单纵模钠信标激光相比，可以激发更多速度群的钠原子，在高亮度钠信标激光器激发钠原子时的吸收饱和效应可以得到一定缓解。上述两种纵模结构的钠信标激光器在国内外许多天文台中获得了成功应用，但所获得的钠导星亮度最高仅约4.7等星 (主要原因是发射的钠信标激光器功率较低)，因此制约着钠信标激光器只能在晴朗的夜晚时候应用。

近年以来，随着高功率全固态和频钠信标激光器的迅猛发展，天文自适应光学系统向白天强背景或较差大气透过率等场景应用逐渐成为可能，但由于这些高功率全固态和频钠信标激光器到达钠层时的光强超出了普通单纵模激光器饱和阈值的数十倍乃至数百倍，上述已有的两种纵模结构均存在严重的缺陷：单纵模激光只能激发一个速度群的钠原子，当钠信标激光器功率较高时，大气层钠原子将处于严重饱和状态，导致回光光子数较少；多纵模激光包含数个至数十个纵模，虽然其可以激发更多速度群的钠原子，在一定程度上提高了饱和光强阈值，但其所激发的钠原子的速度群数量相对于整个D₂线多普勒展宽光谱拥有的速度群数量(超过300个)相差甚大，仍未有效解决饱和效应，从而无法保障获取高亮度高效率钠信标回光。

发明内容

发明人在长期实践中发现：调制纵模是一种区别于传统单纵模与多纵模的新型谱线结构，其产生原理是在多纵模(或单纵模)激光的基础上，对其施加超宽带连续谱电光相位调制，使每一个纵模产生序列频率边带，然后这些频率边带通过累积叠加效应，实现纵模谱线宽度的连续展宽。

如图1所示，为了进一步分析单纵模、多纵模与调制纵模的激光光谱结构，发明人分别获取了单纵模、多纵模与调制纵模激光的光谱示意图，分别如图1-3 所示，其中，图3是在图2基础上进行超宽带相位调制而产生的。由图1-3可见，调制纵模激光光谱在频率域的占空比相对于单纵模激光和多纵模激光均大幅提升，而且其可以实现全谱宽范围内的连续式分布。基于调制纵模激光具有高占空比连续展宽光谱结构特点，发明人认为将调制纵模激光应用于钠信标天文自适应光学领域具有极其重要的应用价值。为此，现提出一种调制纵模全固态和频钠信标激光器。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种调制纵模全固态和频钠信标激光器，包括光轴相互平行的1064nm激光组件和1319nm激光组件，还包括调制组件，所述调制组件包括电光相位调制器和白噪声源，所述白噪声源的信号输出端与电光相位调制器的信号输入端连接；

沿着激光传输光路，所述1064nm激光组件依次包括同光轴设置的单纵模 1064nm种子源、1064nm光纤放大器、准直透镜、1064nm块状固体放大器、第一整形透镜组和第一45°全反镜，所述电光相位调制器的输入端与单纵模1064nm 种子源连接，其输出端与1064nm光纤放大器连接；

沿着激光传输光路，所述1319nm激光组件依次包括同光轴设置的1319nm激光器、第二整形透镜组、第二45°全反镜、聚焦透镜和频晶体，所述第一45°全反镜与第二45°全反镜平行设置，且两者的镜面相对设置。

进一步，所述单纵模1064nm种子源为光纤输出接口的连续单纵模1064nm激光器，其真空中心波长为1064.500nm～1064.700nm，其线宽不大于10MHz。

进一步，所述电光相位调制器为光纤输入输出接口的高带宽电光相位调制器，其调制带宽大于500MHz，其工作波长为1.06μm。

进一步，所述白噪声源为超宽带连续谱信号源，其信号频率覆盖范围大于 50MHz。

进一步，所述准直透镜的直径为10mm～20mm，其有效焦距为14mm～21mm，准直后的单纵模1064nm激光的光斑直径为2mm～3mm。

进一步，所述1319nm激光器为二极管激光泵浦的1319nm Nd:YAG固体激光器，其真空中心波长为1319.389nm～1319.082nm，其线宽不大于3GHz，其中心频率等于钠信标激光中心频率与单纵模1064nm激光中心频率之差。

进一步，所述第一整形透镜组、第二整形透镜组均由2个正透镜组成，所述正透镜的直径为10mm～50mm，其焦距为直径的5倍～20倍，且2个正透镜间距等于两者的焦距之和，整形后的单纵模1064nm激光的光斑直径为2.0±0.2mm，整形后的1319nm激光的光斑直径为2.4±0.2mm。

进一步，所述第一45°全反镜为平面镜，其镜面与单纵模1064nm种子源光轴成45°夹角，其表面镀有单纵模1064nm激光的高反膜，所述第二45°全反镜与1319nm激光器光轴成45°夹角，其镜面中心位于单纵模1064nm种子源反射光轴与1319nm激光器光轴相交处，其表面镀有单纵模1064nm激光的高反膜和 1319nm激光的增透膜。

进一步，所述聚焦透镜为正透镜，其直径为10mm～50mm，其焦距为直径的 5倍～20倍。

进一步，所述和频晶体为Ⅰ类非临界相位匹配LBO晶体，其切割角度θ＝90°，Φ＝0°，其长度为20mm～80mm，其中心位于聚焦透镜的一倍焦距处。

本实用新型的有益效果是：

1、采用白噪声源作为电光相位调制器的驱动源，所获取的调制纵模在频域上具有高占空比连续展宽的优点，其能激发的钠原子速度群数量相较于单纵模激光可增加约2个量级，相较于多纵模激光可增加约1个量级，从而实现高功率钠信标激光器高效率回光产生与探测。

2、单纵模1064nm激光经白噪声源、电光相位调制器调制后变为调制单纵模激光，然后与1319nm激光发生和频作用，间接将589nm激光的光谱结构转化为调制纵模，同时，借助第一整形透镜组、第二整形透镜组分别对单纵模1064nm激光、1319nm激光进行空间传输变换，使二者光斑直径与发散角基本一致，并借助第一45°全反镜、第二45°分光镜将两束近红外激光空间并束，使二者光斑重叠并同轴传输，最终通过和频晶体的非线性频率变换作用实现高效率的和频转换。

附图说明

图1是单纵模激光的光谱示意图；

图2是多纵模激光的光谱示意图；

图3是调制纵模激光的光谱示意图；

图4是本实用新型的整体结构示意图；

图5是实施例2中单纵模1064nm种子源通过延迟光纤自零拍法在频谱仪上所测得的线宽示意图；

图6是实施例2中单纵模1064nm种子源经过白噪声源、电光相位调制器调制后获得的线宽示意图；

图7是实施例2中在未开启白噪声源的条件下，最终输出的和频钠信标激光的中心波长与线宽示意图；

图8是实施例2中在开启白噪声源的条件下，最终输出的和频钠信标激光的中心波长与线宽示意图。

其中，图1-3中，纵坐标表示归一化激光光谱，横坐标表示频率，单位为MHz，图7-8中，纵坐标表示干涉条纹信号强度，横坐标表示扫描位置，单位为像元。

附图中：1-单纵模1064nm种子源、2-电光相位调制器、3-白噪声源、4-1064nm 光纤放大器、5-准直透镜、6-1064nm块状固体放大器、7-第一整形透镜组、8-第一45°全反镜、9-1319nm激光器、10-第二整形透镜组、11-第二45°全反镜、12- 聚焦透镜、13-和频晶体。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图4所示，一种调制纵模全固态和频钠信标激光器，包括光轴相互平行的1064nm激光组件、1319nm激光组件和调制组件，其中，1064nm激光组件在调制组件作用下产生单纵模1064nm激光，1319nm激光组件用于产生1319nm激光，单纵模1064nm激光与1319nm激光均属于近红外激光。

所述调制组件包括电光相位调制器2和白噪声源3，所述白噪声源3的信号输出端与电光相位调制器2的信号输入端连接。其中，所述电光相位调制器2为光纤输入输出接口的高带宽电光相位调制器，其调制带宽大于500MHz，其工作波长为1.06μm，其承受功率大于10mW，其插入损耗小于5dB。所述白噪声源3为超宽带连续谱信号源，其信号频率覆盖范围大于50MHz，其输出功率介于 20dBm～30dBm可调，其输出平坦度优于±2dB。

沿着激光传输光路，所述1064nm激光组件依次包括同光轴设置的单纵模 1064nm种子源1、1064nm光纤放大器4、准直透镜5、1064nm块状固体放大器6、第一整形透镜组7和第一45°全反镜8，所述电光相位调制器2的输入端与单纵模 1064nm种子源1连接，其输出端与1064nm光纤放大器4连接。

其中，所述单纵模1064nm种子源1为光纤输出接口的连续单纵模1064nm激光器，其真空中心波长为1064.500nm～1064.700nm，其平均功率不小于3mW，其线宽不大于10MHz，其光束质量M²因子不超过1.2。所述1064nm光纤放大器4为连续单频保偏1064nm光纤放大器，其输出平均功率不小于5W，其光束质量M²不大于 1.2，其偏振消光比不小于15dB，并要求输入激光平均功率不小于1mW且不大于 100mW。所述准直透镜5用于将1064nm光纤放大器4输出的单纵模1064nm激光进行准直，可以为单透镜，也可以为复合透镜组，其直径为10mm～20mm，其有效焦距为14mm～21mm，准直后的单纵模1064nm激光的光斑直径为2mm～3mm，其对单纵模1064nm激光的损耗不超过5％。所述1064nm块状固体放大器6是二极管激光泵浦的Nd：YAG晶体棒状或板条放大器，工作体制可以为连续体制，也可以为高重频脉冲体制，采用1064nm光纤放大器4和1064nm块状固体放大器6对相位调制后的单纵模1064nm激光进行功率定标放大，将毫瓦级功率放大至100W以上。同时，第一整形透镜组7对单纵模1064nm激光的损耗不超过5％，且经第一整形透镜组7整形后的单纵模1064nm激光的光斑直径为2.0±0.2mm。所述第一45°全反镜8为平面镜，材料选用光学玻璃或光学晶体，其镜面与单纵模1064nm种子源1光轴成45°夹角，其表面镀有单纵模1064nm激光的高反膜，反射率R≥99.5％。

沿着激光传输光路，所述1319nm激光组件依次包括同光轴设置的1319nm激光器9、第二整形透镜组10、第二45°全反镜11、聚焦透镜12和频晶体13，所述第一45°全反镜8与第二45°全反镜11平行设置，且两者的镜面相对设置。

其中，所述1319nm激光器9为二极管激光泵浦的1319nm Nd:YAG固体激光器，其真空中心波长为1319.389nm～1319.082nm，其线宽不大于3GHz，工作体制与单纵模1064nm激光器相同，其中心频率等于钠信标激光中心频率与单纵模 1064nm激光中心频率之差，输出平均功率不小于50W。1319nm激光可以为单纵模激光，也可以为多纵模激光。当其为单纵模激光时，最终输出的589nm激光的光谱结构则为调制单纵模；当其为多纵模激光时，最终输出的589nm激光的光谱结构则为调制多纵模。调制单纵模与调制多纵模统属于调制纵模。同时，第二整形透镜组10对1319nm激光的损耗不超过5％，且经第二整形透镜组10整形后的1319nm激光的光斑直径为2.4±0.2mm。所述第二45°全反镜11与1319nm激光器9 光轴成45°夹角，其镜面中心位于单纵模1064nm种子源1反射光轴(单纵模1064nm种子源1的光轴经第一45°全反镜8反射后形成反射光轴)与1319nm激光器9光轴相交处，其表面镀有单纵模1064nm激光的高反膜和1319nm激光的增透膜，反射率R≥99.5％，透过率T≥98％。

所述第一整形透镜组7、第二整形透镜组10均由2个正透镜组成，所述正透镜的直径为10mm～50mm，其焦距为直径的5倍～20倍，且2个正透镜间距等于两者的焦距之和。所述聚焦透镜12为正透镜，其直径为10mm～50mm，其焦距为直径的5倍～20倍。所述和频晶体13为Ⅰ类非临界相位匹配LBO晶体，其切割角度θ＝90 °，Φ＝0°，其长度为20mm～80mm，其中心位于聚焦透镜12的一倍焦距处。单纵模1064nm激光经第一45°全反镜8反射后与透射过第二45°全反镜11的1319nm 激光和频，聚焦透镜12将和频后的两束近红外激光聚焦，并通过和频晶体13的非线性频率变换作用实现高效率的和频转换。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

单纵模1064nm种子源1的真空中心波长为1064.500nm，线宽为100kHz，偏振态为s线偏振光，平均功率为10mW，光束质量M²因子优于1.1。电光相位调制器2 的调制带宽为5GHz，工作波长为1.06μm，最高承受功率100mW，输入端与单纵模1064nm种子源1直接对接，输出端接入1064nm光纤放大器4，插入损耗3.5dB。白噪声源3的信号频率从250kHz至100MHz连续覆盖，输出功率为26dBm，输出平坦度优于±2dB。1064nm光纤放大器4的输出平均功率为10W，光束质量M²约1.2，偏振消光比20dB。准直透镜5的直径为10mm，有效焦距为21mm，准直后的单纵模1064nm激光的光斑直径为3.0mm，准直透镜5对单纵模1064nm激光的损耗为1％。1064nm块状固体放大器6是二极管激光泵浦的Nd：YAG晶体棒状放大器，工作体制为高重频百微秒脉冲体制，重频250Hz，脉宽150μs，并将1064nm光纤放大器4输出激光的平均功率放大至120W。第一整形透镜组7由焦距分别为 150mm和100mm的两个正透镜组成，每个正透镜的直径为20mm，二者间距为 250mm，整形后的单纵模1064nm激光的光斑直径为2.0mm，第一整形透镜组7对单纵模1064nm激光的损耗约2％。第一45°全反镜8为平面镜，选用JGS1石英玻璃制成。

1319nm激光器9为二极管激光泵浦的1319nm Nd:YAG固体激光器，其输出多纵模激光，真空中心波长为1319.389nm，线宽约0.3GHz，偏振态为s线偏振光，工作体制与单纵模1064nm激光器相同，重频频率250Hz，脉宽150μs，输出平均功率100W，输出光斑直径为4.0mm。第二整形透镜组10由焦距分别为200mm和 120mm的两个正透镜组成，每个正透镜的直径为20mm，二者间距320mm，整形后的1319nm激光的光斑直径为2.4mm，第二整形透镜组10对1319nm激光的损耗为2％。第二45°全反镜11为平面镜，材料选用JGS1石英玻璃，表面镀制45度双色分光膜，对单纵模1064nm激光高反，对1319nm激光增透。聚焦透镜12为正透镜，直径为25mm，焦距为240mm。和频晶体13为Ⅰ类非临界相位匹配LBO晶体，切割角度θ＝90°，Φ＝0°，晶体横截面为4mm*4mm，长度为50mm，工作温度为40.0℃。

将本实施例中单纵模1064nm种子源1通过延迟光纤自零拍法在频谱仪上所测得的线宽，如图5所示，激光线宽等于拍频信号的线宽的1/2，拍频信号的线宽等于峰值强度下降3dB时的谱宽(约200kHz)，因此，激光线宽约为100kHz，图中位于峰值处的标号1表示测量的标代号，无实际意义。单纵模1064nm种子源1 经过白噪声源3、电光相位调制器2调制后获得的线宽，如图6所示，其线宽约为 270MHz。由此可见，调制纵模在频域上具有高占空比连续展宽的优点，其能激发的钠原子速度群数量相较于单纵模激光可增加约2个量级。

本实施例中，在未开启白噪声源3的条件下，采用德国HighFinesse公司的高精度波长计WS7测量最终输出的和频钠信标激光的中心波长与线宽，结果如图7 所示，真空中心波长为589.1593nm，线宽为360fm，1fm≈0.865MHz@589nm。在开启白噪声源3的条件下，采用相同的设备测量最终输出的和频钠信标激光的中心波长与线宽，结果如图8所示，真空中心波长为589.1591nm，线宽为700fm。由此可见，调制纵模在频域上具有高占空比连续展宽的优点，其能激发的钠原子速度群数量相较于多纵模激光可增加约1个量级。

实施例三：

本实施例与实施例二相同的部分不再赘述，不同的是：

1064nm块状固体放大器6是二极管激光泵浦的Nd：YAG晶体板条放大器，工作体制为连续体制，并将1064nm光纤放大器4输出激光的平均功率放大至300W。1319nm激光器9输出单纵模激光，线宽为10MHz，工作体制为连续体制，输出平均功率为200W。和频晶体13横截面为3mm*12mm，长度为80mm。

实施例四：

本实施例与实施例二相同的部分不再赘述，不同的是：

单纵模1064nm种子源1的真空中心波长为1064.700nm，线宽为10MHz。 1064nm块状固体放大器6是二极管激光泵浦的Nd：YAG晶体板条放大器，重复频率为500Hz，脉宽为50μs。1319nm激光器9的真空中心波长为1319.082nm，线宽为2.0GHz，重复频率为500Hz，脉宽为50μs。

以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种调制纵模全固态和频钠信标激光器，包括光轴相互平行的1064nm激光组件和1319nm激光组件，其特征在于，还包括调制组件，所述调制组件包括电光相位调制器(2)和白噪声源(3)，所述白噪声源(3)的信号输出端与电光相位调制器(2)的信号输入端连接；

沿着激光传输光路，所述1064nm激光组件依次包括同光轴设置的单纵模1064nm种子源(1)、1064nm光纤放大器(4)、准直透镜(5)、1064nm块状固体放大器(6)、第一整形透镜组(7)和第一45°全反镜(8)，所述电光相位调制器(2)的输入端与单纵模1064nm种子源(1)连接，其输出端与1064nm光纤放大器(4)连接；

沿着激光传输光路，所述1319nm激光组件依次包括同光轴设置的1319nm激光器(9)、第二整形透镜组(10)、第二45°全反镜(11)、聚焦透镜(12)和频晶体(13)，所述第一45°全反镜(8)与第二45°全反镜(11)平行设置，且两者的镜面相对设置。

2.根据权利要求1所述的一种调制纵模全固态和频钠信标激光器，其特征在于，所述单纵模1064nm种子源(1)为光纤输出接口的连续单纵模1064nm激光器，其真空中心波长为1064.500nm～1064.700nm，其线宽不大于10MHz。

3.根据权利要求1所述的一种调制纵模全固态和频钠信标激光器，其特征在于，所述电光相位调制器(2)为光纤输入输出接口的高带宽电光相位调制器，其调制带宽大于500MHz，其工作波长为1.06μm。

4.根据权利要求1所述的一种调制纵模全固态和频钠信标激光器，其特征在于，所述白噪声源(3)为超宽带连续谱信号源，其信号频率覆盖范围大于50MHz。

5.根据权利要求1所述的一种调制纵模全固态和频钠信标激光器，其特征在于，所述准直透镜(5)的直径为10mm～20mm，其有效焦距为14mm～21mm，准直后的单纵模1064nm激光的光斑直径为2mm～3mm。

6.根据权利要求1所述的一种调制纵模全固态和频钠信标激光器，其特征在于，所述1319nm激光器(9)为二极管激光泵浦的1319nm Nd:YAG固体激光器，其真空中心波长为1319.389nm～1319.082nm，其线宽不大于3GHz，其中心频率等于钠信标激光中心频率与单纵模1064nm激光中心频率之差。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种调制纵模全固态和频钠信标激光器，其特征在于，所述第一整形透镜组(7)、第二整形透镜组(10)均由2个正透镜组成，所述正透镜的直径为10mm～50mm，其焦距为直径的5倍～20倍，且2个正透镜间距等于两者的焦距之和，整形后的单纵模1064nm激光的光斑直径为2.0±0.2mm，整形后的1319nm激光的光斑直径为2.4±0.2mm。

8.根据权利要求7所述的一种调制纵模全固态和频钠信标激光器，其特征在于，所述第一45°全反镜(8)为平面镜，其镜面与单纵模1064nm种子源(1)光轴成45°夹角，其表面镀有单纵模1064nm激光的高反膜，所述第二45°全反镜(11)与1319nm激光器(9)光轴成45°夹角，其镜面中心位于单纵模1064nm 种子源(1)反射光轴与1319nm激光器(9)光轴相交处，其表面镀有单纵模1064nm激光的高反膜和1319nm激光的增透膜。

9.根据权利要求7所述的一种调制纵模全固态和频钠信标激光器，其特征在于，所述聚焦透镜(12)为正透镜，其直径为10mm～50mm，其焦距为直径的5倍～20倍。

10.根据权利要求9所述的一种调制纵模全固态和频钠信标激光器，其特征在于，所述和频晶体(13)为Ⅰ类非临界相位匹配LBO晶体，其切割角度θ＝90°，Φ＝0°，其长度为20mm～80mm，其中心位于聚焦透镜(12)的一倍焦距处。