CN116191187A - 一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器，包括泵浦耦合模块、基频振荡模块、倍频模块、激光分束模块、能量监测模块、Q开关驱动器和LD控制器；所述泵浦耦合模块采用端面双侧泵浦结构；所述基频振荡模块采用正交双保罗结构谐振腔；所述能量监测模块对输出激光能量进行实时监测，为LD控制器提供LD供电电流的反馈信号，并可在激光雷达大气参量反演中为激光输出能量校正提供依据。本发明专利可实现大能量、高稳定性、高可靠性、高光束质量和偏振脉冲激光输出，激光器体积及重量较小，可作为地基、车载、机载等多平台应用的米散射激光雷达的光源。

Description

一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器

技术领域

本发明涉及一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器，属于激光雷达中激光器技术领域，可作为激光雷达的光源。

背景技术

根据大气污染物存在状态的不同，大气污染物可分为气态污染物和大气颗粒物。大气颗粒物是大气中存在的各种固态颗粒物和液态颗粒物的总称，也被称为气溶胶。作为大气的组成成分，大气颗粒物除对大气能见度、交通安全和人体健康产生重要影响外，对云和降水、大气辐射平衡，以及全球气候变化等也具有重要影响。因此，对大气颗粒物的探测具有重要意义。

激光雷达是一种探测大气的有效工具，其工作原理是通过测量发射激光束与大气中颗粒物相互作用的后向散射信号，以反演不同高度处的气溶胶消光系数。激光在大气中传输过程中，除了被大气吸收外，还会产生激光与小尺度大气分子的瑞利散射、与大尺度气溶胶粒子的米散射、与非球形粒子的退偏振散射和频率发生变化的拉曼散射等多种散射过程。基于米散射理论的米散射激光雷达，可以直接获得激光束传输路径上不同高度处的大气气溶胶的消光系数，还可获得退偏振度、大气能见度、大气边界层高度、气溶胶光学厚度等多种大气光学参数。

激光器作为米散射激光雷达的关键单机，激光器输出中心波长、单脉冲能量、光束发散角和脉冲重复频率等指标，决定了米散射激光雷达的有效探测高度、时间分辨率等技术要求。目前，常采用中心波长为532nm的全固态激光器和光纤激光器作为米散射激光雷达的光源。全固态激光器和光纤激光器作为固体激光器的两个分支，对比全固态激光器和光纤激光器，全固态激光器的主要优势在于更容易获得单脉冲大能量激光输出，而光纤激光器的优势在于更容易获得高稳定性激光输出。为使米散射激光雷达适用于地基、车载、机载等多平台应用，需要一种高稳定性、大能量固体激光器作为光源。因此，研发一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器作为激光雷达光源，既有现实的迫切需求，又有技术挑战，具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器。

本发明采用如下技术方案：

本发明高稳定性大能量固体激光器，包括泵浦耦合模块、基频振荡模块、倍频模块、激光分束模块、能量监测模块、Q开关驱动器和LD控制器；

本发明中能量监测模块可对激光器输出的532nm激光能量进行实时监测，用于米散射激光雷达在大气参量反演中对激光输出能量的校正；

本发明中能量监测模块可为LD控制器提供反馈信号，在激光器长时间工作出现输出能量明显变化情况下，根据反馈信号对LD供电电流进行调节，提高激光器输出能量的长时间稳定性；

本发明中Q开关驱动器为电光Q开关提供工作电压，工作电压为1/4λ高压。

本发明中LD控制器为LD光纤泵浦源1和LD光纤泵浦源2提供脉冲泵浦方式中泵浦频率和泵浦脉宽受的调节；

本发明中LD控制器为所述Q开关驱动器提供同步时钟信号。

本发明高稳定性大能量固体激光器中泵浦耦合模块，包括前向泵浦耦合模块和后向泵浦耦合模块；本发明中前向泵浦耦合模块和后向泵浦耦合模块具有相同的结构；本发明中前向泵浦耦合模块，包括LD光纤泵浦源1、泵浦源准直透镜1和泵浦源聚焦透镜1；本发明中后向泵浦耦合模块，包括LD光纤泵浦源2、泵浦源准直透镜2和泵浦源聚焦透镜2；本发明中泵浦源准直透镜1、泵浦源聚焦透镜1、泵浦源准直透镜2和泵浦源聚焦透镜2均镀有808nm高透过率的膜层。

本发明中基频振荡模块，包括激光介质、保罗棱镜1、0.57λ波片、电光Q开关、偏振片、二色镜1、二色镜2、PBS、1/4λ波片、保罗棱镜2；本发明中保罗棱镜1和保罗棱镜2的通光面镀有1064nm高透过率的膜层；本发明中二色镜1和二色镜2的通光面镀有在45°放置时，808nm高透过滤且1064nm高反射率的膜层。

本发明中倍频模块，包括基频准直透镜、基频聚焦透镜和倍频晶体；本发明中基频准直透镜镀有1064nm高透过率的膜层；本发明中基频聚焦透镜镀有1064nm高透过率膜层；本发明中倍频晶体装卡在热沉中散热。

本发明中激光分束模块，包括分束镜、二色镜3和光学收集器；本发明中分束镜镀有532nm的95%透过滤膜层，且1064nm的高反射率膜层；本发明中二色镜3镀有532nm的高透过滤膜层，且1064nm的高反射率膜层。

本发明中能量监测模块，包括衰减片、窄带滤光片和光电探测器。

本发明高稳定性大能量固体激光器中基频振荡模块的保罗棱镜1和保罗棱镜2组成正交保罗棱镜结构的谐振腔。

本发明高稳定性大能量固体激光器中0.57λ波片可对保罗棱镜1的相位延迟进行补偿；本发明中保罗棱镜1和0.57λ波片组合实现基频激光在保罗棱镜1全反射面的高反射率；

本发明高稳定性大能量固体激光器中电光Q开关采用退压式工作方式；本发明中偏振片用于对电光Q开关工作状态的偏振检测。

本发明高稳定性大能量固体激光器中保罗棱镜2、1/4λ波片和PBS组合实现基频激光的偏振耦合输出；通过对本发明中1/4λ波片旋转角度的调节，实现PBS耦合输出率的连续可调节。

本发明高稳定性大能量固体激光器中光学收集器为内锥形金属圆桶，内锥面金属氧化变黑，用于收集1064nm基频激光，同时防止1064nm基频激光反射。

本发明高稳定性大能量固体激光器中LD光纤泵浦源1的聚焦光斑采用泵浦源准直透镜1和泵浦源聚焦透镜1进行调节；本发明中LD光纤泵浦源2的聚焦光斑采用泵浦源准直透镜2和泵浦源聚焦透镜2进行调节；本发明中LD光纤泵浦源1和LD光纤泵浦源2的聚焦光斑分别位于距离激光介质前端面和后端面1/3长度的位置。

本发明高稳定性大能量固体激光器中保罗棱镜1的棱线与水平方向成45°放置；本发明中保罗棱镜2的棱线与保罗棱镜1的棱线成90°；

本发明高稳定性大能量固体激光器中激光介质两端面以87°切割，同时镀有1064nm增透膜；本发明中激光介质其余四侧面镀金且铟焊在热沉中，进行散热。

本发明优点：

1）采用正交双保罗棱镜作为激光的谐振腔镜，跟传统的平面镜谐振腔相比，当激光器受到冲击、振动和腔镜失谐时也能保证光路的振荡，可以有效的提高光路的稳定性，使激光器具有高抗失谐性和振动性的特点。

2）采用脉冲泵浦方式，激光介质中无多余废热产生，提高激光器的电光转换效率；泵浦源LD输出的泵浦激光脉冲宽度窄、且峰值功率高，有利于基频振荡模块输出激光脉冲宽度的压缩。

3）采用双端泵浦方式，提高激光介质中泵浦能量的均匀性，可提高激光介质吸收泵浦能量的饱和阈值；同时端面泵浦结构，使得模式匹配性能的提高，有利于光束质量激光输出。

4）采用能量监测模块用于对LD控制器进行反馈，提高输出能量的长时间稳定性；同时有利于米散射激光雷达在大气参量反演中对激光输出能量进行校正。

附图说明

图1为一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器原理图

图2为一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器光学示意图

在附图2中：1泵浦耦合模块、11前向泵浦耦合模块、12后向泵浦耦合模块、111 LD光纤泵浦源1、112泵浦源准直透镜1、113泵浦源聚焦透镜1、121 LD光纤泵浦源2、122泵浦源准直透镜2、123泵浦源聚焦透镜2、2基频振荡模块、20激光介质、21保罗棱镜1、22 0.57λ波片、23电光Q开关、24偏振片、25二色镜1、26二色镜2、27 PBS、28 1/4λ波片、29保罗棱镜2、3倍频模块、31基频准直透镜、32基频聚焦透镜、33倍频晶体、4激光分束模块、41分束镜、42二色镜3、43光学收集器、5能量监测模块、51衰减片、52窄带滤光片、53光电探测器、6 Q开关驱动器、7 LD控制器。

图3为基频振荡模块中振荡光在保罗棱镜内经二次全反射示意图。

图4为基频振荡模块中激光介质的结构示意图。

具体实施方式

如图1，本发明高稳定性大能量固体激光器，包括泵浦耦合模块1、基频振荡模块2、倍频模块3、激光分束模块4、能量监测模块5、Q开关驱动器6和LD控制器7。

如图1，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的能量监测模块5可对激光器输出的532nm激光能量进行实时监测，用于米散射激光雷达在大气参量反演中对激光输出能量的校正。

如图1，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的能量监测模块5可为LD控制器7提供反馈信号，在激光器长时间工作出现输出能量明显变化情况下，根据反馈信号对LD供电电流进行调节，提高激光器输出能量的长时间稳定性。

如图1，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的Q开关驱动器6为电光Q开关23提供工作电压，工作电压为1/4λ高压。

如图1，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的LD控制器7为LD光纤泵浦源1111和LD光纤泵浦源2 121提供脉冲泵浦方式中泵浦频率和泵浦脉宽受的调节。

如图1，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的LD控制器7为所述Q开关驱动器6提供同步时钟信号。

如图2，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述泵浦耦合模块1，包括前向泵浦耦合模块11和后向泵浦耦合模块12；所述前向泵浦耦合模块11和后向泵浦耦合模块12具有相同的结构；所述前向泵浦耦合模块11包括LD光纤泵浦源1 111、泵浦源准直透镜1 112和泵浦源聚焦透镜1 113；所述后向泵浦耦合模块12包括LD光纤泵浦源2 121、泵浦源准直透镜2 122和泵浦源聚焦透镜2 123；所述的泵浦源准直透镜1 112、泵浦源聚焦透镜1 113、泵浦源准直透镜2 122和泵浦源聚焦透镜2 123均镀有808nm高透过率的膜层；

如图2，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的基频振荡模块2，包括激光介质20、保罗棱镜1 21、0.57λ波片22、电光Q开关23、偏振片24、二色镜1 25、二色镜2 26、PBS27、1/4λ波片28、保罗棱镜2 29；所述保罗棱镜1 21和保罗棱镜2 29的通光面镀有1064nm高透过率的膜层；所述二色镜1 25和二色镜2 26的通光面镀有在45°放置时，808nm高透过滤且1064nm高反射率的膜层；

如图2，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的倍频模块3，包括基频准直透镜31、基频聚焦透镜32和倍频晶体33；所述基频准直透镜31镀有1064nm高透过率的膜层；所述基频聚焦透镜32镀有1064nm高透过率膜层；所述倍频晶体33装卡在热沉中散热；

如图2，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述激光分束模块4，包括分束镜41、二色镜3 42和光学收集器43；所述分束镜41镀有532nm的95%透过滤膜层，且1064nm的高反射率膜层；所述二色镜3 42镀有532nm的高透过滤膜层，且1064nm的高反射率膜层；

如图2，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述能量监测模块5，包括衰减片51、窄带滤光片52和光电探测器53；

如图2，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的高透过率膜层为透过率＞99.8%的膜层；所述的高反射率膜层为反射率＞99.8%的膜层。

如图2，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的基频振荡模块2中保罗棱镜121和保罗棱镜2 29组成正交保罗棱镜结构的谐振腔。

如图2，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述0.57λ波片22可对保罗棱镜1 21的相位延迟进行补偿；采用所述的保罗棱镜1 21和0.57λ波片22组合实现基频激光在保罗棱镜1 21全反射面的高反射率；

如图2，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的电光Q开关23采用退压式工作方式；所述的偏振片24用于对电光Q开关23工作状态的偏振检测。

如图2，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的保罗棱镜2 29、1/4λ波片28和PBS 27组合实现基频激光的偏振耦合输出；通过对所述1/4λ波片28旋转角度的调节，实现PBS 27耦合输出率的连续可调节。

如图2，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的光学收集器43为内锥形金属圆桶，内锥面金属氧化变黑，用于收集1064nm基频激光，同时防止1064nm基频激光反射。

如图2，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的LD光纤泵浦源1 111的聚焦光斑采用泵浦源准直透镜1 112和泵浦源聚焦透镜1 113进行调节；LD光纤泵浦源2 121的聚焦光斑采用泵浦源准直透镜2 122和泵浦源聚焦透镜2 123进行调节；所述的LD光纤泵浦源1 111和LD光纤泵浦源2 121的聚焦光斑分别位于距离激光介质20前端面和后端面1/3长度的位置。

如图3，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述保罗棱镜1 21的棱线与水平方向成45°放置；所述保罗棱镜2 29的棱线与保罗棱镜1 21的棱线成90°；

如图4，本发明高稳定性大能量固体激光器中所述的激光介质20两端面以87°切割，同时镀有1064nm增透膜；所述的激光介质20其余四侧面镀金且铟焊在热沉中，进行散热。

最后应说明的是：以上实施仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对实施例中所记载的技术方案进行修改，或者对其部分技术特征进行等同替换；而对这些修改或者替换，并不以相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器，其特征在于包括泵浦耦合模块(1)、基频振荡模块(2)、倍频模块(3)、激光分束模块(4)、能量监测模块(5)、Q开关驱动器(6)和LD控制器(7)。

所述的能量监测模块(5)可对激光器输出的532nm激光能量进行实时监测，用于米散射激光雷达在大气参量反演中对激光输出能量的校正。

所述的能量监测模块(5)可为LD控制器(7)提供反馈信号，在激光器长时间工作出现输出能量明显变化情况下，根据反馈信号对LD供电电流进行调节，提高激光器输出能量的长时间稳定性。

所述的Q开关驱动器(6)为电光Q开关(23)提供工作电压，工作电压为1/4λ高压。

所述的LD控制器(7)为LD光纤泵浦源1(111)和LD光纤泵浦源2(121)提供脉冲泵浦方式中泵浦频率和泵浦脉宽受的调节。

所述的LD控制器(7)为所述Q开关驱动器(6)提供同步时钟信号。

2.根据权利要求1所述的一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器，其特征在于所述泵浦耦合模块(1)，包括前向泵浦耦合模块(11)和后向泵浦耦合模块(12)；所述前向泵浦耦合模块(11)和后向泵浦耦合模块(12)具有相同的结构；所述前向泵浦耦合模块(11)包括LD光纤泵浦源1(111)、泵浦源准直透镜1(112)和泵浦源聚焦透镜1(113)；所述后向泵浦耦合模块(12)包括LD光纤泵浦源2(121)、泵浦源准直透镜2(122)和泵浦源聚焦透镜2(123)；所述的泵浦源准直透镜1(112)、泵浦源聚焦透镜1(113)、泵浦源准直透镜2(122)和泵浦源聚焦透镜2(123)均镀有808nm高透过率的膜层；

所述的基频振荡模块(2)，包括激光介质(20)、保罗棱镜1(21)、0.57λ波片(22)、电光Q开关(23)、偏振片(24)、二色镜1(25)、二色镜2(26)、PBS(27)、1/4λ波片(28)、保罗棱镜2(29)；所述保罗棱镜1(21)和保罗棱镜2(29)的通光面镀有1064nm高透过率的膜层；所述二色镜1(25)和二色镜2(26)的通光面镀有在45°放置时，808nm高透过滤且1064nm高反射率的膜层；

所述的倍频模块(3)，包括基频准直透镜(31)、基频聚焦透镜(32)和倍频晶体(33)；所述基频准直透镜(31)镀有1064nm高透过率的膜层；所述基频聚焦透镜(32)镀有1064nm高透过率膜层；所述倍频晶体(33)装卡在热沉中散热；

所述激光分束模块(4)，包括分束镜(41)、二色镜3(42)和光学收集器(43)；所述分束镜(41)镀有532nm的95％透过滤膜层，且1064nm的高反射率膜层；所述二色镜3(42)镀有532nm的高透过滤膜层，且1064nm的高反射率膜层；

所述能量监测模块(5)，包括衰减片(51)、窄带滤光片(52)和光电探测器(53)；

3.根据权利要求2所述的一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器，其特征在于所述基频振荡模块(2)中保罗棱镜1(21)和保罗棱镜2(29)组成正交保罗棱镜结构的谐振腔。

4.根据权利要求2所述的一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器，其特征在于所述0.57λ波片(22)可对保罗棱镜1(21)的相位延迟进行补偿；采用所述的保罗棱镜1(21)和0.57λ波片(22)组合实现基频激光在保罗棱镜1(21)全反射面的高反射率；

5.根据权利要求2所述的一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器，其特征在于所述电光Q开关(23)采用退压式工作方式；所述的偏振片(24)用于对电光Q开关(23)工作状态的偏振检测。

6.根据权利要求2所述的一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器，其特征在于所述保罗棱镜2(29)、1/4λ波片(28)和PBS(27)组合实现基频激光的偏振耦合输出；通过对所述1/4λ波片(28)旋转角度的调节，实现PBS(27)耦合输出率的连续可调节。

7.根据权利要求2所述的一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器，其特征在于所述光学收集器(43)为内锥形金属圆桶，内锥面金属氧化变黑，用于收集1064nm基频激光，同时防止1064nm基频激光反射。

8.根据权利要求2所述的一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器，其特征在于所述LD光纤泵浦源1(111)的聚焦光斑采用泵浦源准直透镜1(112)和泵浦源聚焦透镜1(113)进行调节；LD光纤泵浦源2(121)的聚焦光斑采用泵浦源准直透镜2(122)和泵浦源聚焦透镜2(123)进行调节；所述的LD光纤泵浦源1(111)和LD光纤泵浦源2(121)的聚焦光斑分别位于距离激光介质(20)前端面和后端面1/3长度的位置。

9.根据权利要求2所述的一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器，其特征在于所述保罗棱镜1(21)的棱线与水平方向成45°放置；所述保罗棱镜2(29)的棱线与保罗棱镜1(21)的棱线成90°；

10.根据权利要求2所述的一种适用于米散射激光雷达的高稳定性大能量固体激光器，其特征在于所述的激光介质(20)两端面以87°切割，同时镀有1064nm增透膜；所述的激光介质(20)其余四侧面镀金且铟焊在热沉中，进行散热。

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