CN214124308U

CN214124308U - 一种双频脉冲激光器

Info

Publication number: CN214124308U
Application number: CN202022931367.9U
Authority: CN
Inventors: 孙松松; 王勇; 王丽莎; 闫炜; 赵一鸣; 李祚涵
Original assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Current assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Priority date: 2020-12-07
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2030-12-07

Abstract

本实用新型公开了一种双频脉冲激光器，包括种子源，所述种子源发出的激光束一路作为参考光进入耦合器一，另一路依次经过模拟调制器、预放大器、数字调制器、一级放大器、二级放大器和环形器，从环形器出来之后进入耦合器一与参考光耦合后进入外部探测器。其优点在于，实现激光器一和激光器二时分复用，且双波长工作可快速切换波长，工作效率高，成本低，输出激光脉冲重复频率可调且波形可任意编辑，激光器有连续的参考光输出，可与输出脉冲的反射信号进行混频，便于实现激光测量应用。

Description

一种双频脉冲激光器

技术领域

本实用新型涉及一种双频脉冲激光器，主要应用于大气二氧化碳的远程测量、测风雷达等领域。

背景技术

随着航空航天领域、气象探测领域、环境保护领域的不断发展，针对流层风场，大气污染物，大气二氧化碳等方面的远程测量越来越成为研究和产业化的热点。基于米氏散射原理的相干多普勒激光雷达，可以实现从地面到对流层的大气参数观测，具有高分辨率，高精度，探测范围广的优点，成为国际研究的热点话题。

近年来，1.5-1.6μm波段因为人眼安全特性以及大气吸收损耗小，可以采用LD泵浦实现全固体高效小型激光器的优点，是目前国际上相干多普勒测风激光雷达的主要光源。而1.5-1.6μm波长还因为邻近通讯波长，而具有一个非常有用的优势：相关光学器件非常成熟，比如光纤、探测器等。这也就意味着采用1.5-1.6μm激光器作为相干测风激光雷达的光源，更容易实现全光纤化、小型化。目前我国激光测风雷达技术的一个主要差距就是单频脉冲固体激光技术，随着掺铒光纤放大器(EDFA)及光纤技术的发展，以及在EDFA中使用大模场(LMA)光纤以避免光纤中的受激布里渊散射(SBS)等非线性效应，EDFA输出的激光脉冲能量和平均功率逐步得到提高，基于单频种子激光光纤放大的1.5μm光纤激光器受到越来越多人的关注。

目前使用多台发射不同波长的脉冲光纤激光器，成本较高，操作比较繁琐，这对于商业化的实现还存在着一定的差距。

实用新型内容

为克服上述问题，本申请旨在提供一种双波长工作的可快速切换波长，工作效率高，成本低的双频脉冲激光器。其技术方案为：

一种双频脉冲激光器，包括种子源，所述种子源发出的激光束一路作为参考光进入耦合器一，另一路依次经过模拟调制器、预放大器、数字调制器、一级放大器、二级放大器和环形器，从环形器出来之后进入耦合器一与参考光耦合后进入外部探测器。

进一步的，所述种子源包括激光器一和激光器二，所述激光器一和激光器二发出的激光束经过磁光开关进入隔离耦合器，经过耦合器二时，一路进入模拟调制器，另一路作为参考光进入耦合器一，所述隔离耦合器与锁频装置连接，所述锁频装置与信号控制器电性连接，所述信号控制器与微处理器一电性连接，所述微处理器一与控制驱动器一电性连接，所述控制驱动器一分别与激光器一和激光器二电性连接。

进一步的，所述模拟调制器之间与数字调制器之间、数字调制器与一级放大器之间、一级放大器与二级放大器之间分别设有隔离器一、隔离器二和隔离器三。

进一步的，所述预放大器与一级放大器结构相同，包括波分复用器，和与其连接增益光纤一、泵浦激光器一。

进一步的，所述二级放大器结构包括合束器和与其连接的增益光纤二、泵浦激光器二。

进一步的，所述模拟调制器、预放大器、数字调制器、一级放大器、二级放大器均与控制驱动器二电性连接，所述控制驱动器二与微处理器二连接，所述微处理器二与微处理器一之间相互通信。

有益效果

1.磁光开关实现激光器一和激光器二时分复用，且双波长工作的可快速切换波长，工作效率高，成本低。

2.本申请操作简单，降低实验人员对技能高度依赖性。

附图说明

图1为本申请工作原理图；

图2为种子源结构原理图；

图3为预放大器结构原理图；

图4为二级放大器结构原理图；

其中1-种子源，101-激光器一，102-激光器二，103-磁光开关，104-隔离耦合器，105-耦合器二，106-锁频装置，107-信号处理器，108-控制驱动器一，109-微处理器一，2-模拟调制器，3-预放大器，301-波分复用器，302-增益光纤一，303-泵浦激光器一，4-数字调制器，5-一级放大器，6-二级放大器，601-合束器，602-增益光纤二，603-泵浦激光器二，7-环形器，8-耦合器一，9-控制驱动器二，10-微处理器二，11-隔离器一，12-隔离器二，13-隔离器三。

具体实施方式

以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。

如图1-4所示，一种双频脉冲激光器，包括种子源1，所述种子源1发出的激光束一路作为参考光进入耦合器一8，另一路依次经过模拟调制器2、隔离器一11、预放大器3、数字调制器4、隔离器二12、一级放大器5、隔离器三13、二级放大器6环形器7，从环形器7出来之后进入耦合器一8与参考光耦合后进入外部探测器。环形器将输出光脉冲的反射信号与激光器内部的连续参考光进行混频，便于实现激光测量应用。

所述种子源1包括激光器一101和激光器二102，所述激光器一101和激光器二102发出的激光束进过磁光开关103进入隔离耦合器104，再通过耦合器二105，所述耦合器二105发出的激光束一路作为参考光进入耦合器一8中，另一路进入模拟调制器2，所述隔离耦合器104与锁频装置106连接，所述锁频装置106用于锁定激光器一101和激光器二102的频率，如图2所示。所述锁频装置106与信号控制器107电性连接，所述信号控制器107与微处理器一109连接，所述微处理器一109与控制驱动器一108连接，所述控制驱动器一108分别与激光器一101和激光器二102连接。

通过控制模拟调制器与数字调制器以及各级放大器的增益，可实现激光输出脉冲重复频率可调、脉冲波形可任意编辑。

图3所示，所述预放大器3与一级放大器5结构相同，包括波分复用器(WDM)301，和与其连接增益光纤一302、泵浦激光器一303。

图4所示，所述二级放大器6结构包括合束器601和与其连接的增益光纤二602、泵浦激光器二603。

所述模拟调制器2、预放大器3、数字调制器4、一级放大器5、二级放大器6均与控制驱动器二9电性连接，所述控制驱动器二9与微处理器二10连接，所述微处理器二10与微处理器一109之间相互通信。

以下介绍主要部件及其功能

1)双种子单频激光器设计方案：单频半导体激光器具有体积小、调制灵活、抗振动性高等优点，是相干激光雷达系统的最佳选择。本实例中，根据二氧化碳气体检测的要求，种子源选用的激光器一和激光器二均为半导体单频激光器，中心波长分别为1572.018nm和1572.480nm，单频激光的线宽均小于10kHz。激光器一和激光器二的温度控制采用PID控制方式，所述控制驱动器一包含热敏电阻和TEC驱动电路、运算放大器；通过热敏电阻采集激光器一和激光器二内部的温度，反馈给TEC驱动电路，TEC驱动电路经过比例和积分运算，在TEC上加载合适的电流，维持激光器一和激光器二的温度恒定。

2)双种子单频激光器的波长切换：按照设计要求，本系统需要实现两个波长的激光器的波长切换功能。为实现波长切换，可采用光开关，例如：磁光开关、电光开关、声光开关、机械光开关等。本实例中采用的方案是使用一个磁光开关。磁光开关由控制模块发出的高低电平控制。

3)锁频装置：尽管半导体激光器的驱动电路采用了恒流和恒温的设计，但激光器一和激光器二的频率仍然在低频段存在一定的偏移。锁频装置采集种子源中分出的若干光信号，通过内部的光电探测器产生电信号后，传输给其控制系统，控制系统适时调整激光器一和激光器二的驱动参数，从而达到频率锁定的目的。

4)单频激光的脉冲调制设计：单频激光产生后，需要经过调制器后方能产生所需要的脉冲信号。脉冲激光经过放大后，脉冲的前沿由于增益的作用变得陡峭，使得脉冲形状失真，为避免此现象，本系统采用了一个模拟调制器，通过控制调制信号和放大器的增益，使输出脉冲形状可任意编辑。可以输出多种形状的脉冲，例如：高斯形、超高斯形、方波、三角波等。

5)放大器设计方案：脉冲激光产生后，能量较小，经过光器件的损耗，其峰值功率要仅为几个毫瓦。激光放大器方案有多种方式，如固体激光放大器，光纤激光放大器。光纤激光器具有结构简单，免维护，更加稳定的优点，是本系统采用的方案。对于微弱的脉冲激光，一般采用多级光纤放大器的形式。级联光纤放大器全部采用光纤器件，可靠稳定；本系统的预放大器、一级放大器和二级放大器的泵浦激光器一和泵浦激光器二均采用半导体激光器，增益光纤一和增益光纤二使半导体激光器亮度高，也易于光纤耦合，且寿命较长。

本实用新型的有益效果是，激光器实现双波长可切换工作，能够实现大能量可编辑脉冲形状，其波长能够精确锁定大气二氧化碳的波长进行远程遥感探测。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种双频脉冲激光器，其特征在于，包括种子源，所述种子源发出的激光束一路作为参考光进入耦合器一，另一路依次经过模拟调制器、预放大器、数字调制器、一级放大器、二级放大器和环形器，从环形器出来之后进入耦合器一与参考光耦合后进入外部探测器。

2.根据权利要求1所述的一种双频脉冲激光器，其特征在于，所述种子源包括激光器一和激光器二，所述激光器一和激光器二发出的激光束经过磁光开关进入隔离耦合器，经过耦合器二时，一路进入模拟调制器，另一路作为参考光进入耦合器一，所述隔离耦合器与锁频装置连接，所述锁频装置与信号控制器电性连接，所述信号控制器与微处理器一电性连接，所述微处理器一与控制驱动器一电性连接，所述控制驱动器一分别与激光器一和激光器二电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种双频脉冲激光器，其特征在于，所述模拟调制器之间与数字调制器之间、数字调制器与一级放大器之间、一级放大器与二级放大器之间分别设有隔离器一、隔离器二和隔离器三。

4.根据权利要求1所述的一种双频脉冲激光器，其特征在于，所述预放大器与一级放大器结构相同，包括波分复用器，和与其连接增益光纤一、泵浦激光器一。

5.根据权利要求1所述的一种双频脉冲激光器，其特征在于，所述二级放大器结构包括合束器和与其连接的增益光纤二、泵浦激光器二。

6.根据权利要求2所述的一种双频脉冲激光器，其特征在于，所述模拟调制器、预放大器、数字调制器、一级放大器、二级放大器均与控制驱动器二电性连接，所述控制驱动器二与微处理器二连接，所述微处理器二与微处理器一之间相互通信。