专利名称：人眼安全相干多普勒测风激光雷达发射源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤激光器及放大器，特别是一种小型化的、全光纤的、高重 频的、线偏振的、窄线宽的、处于人眼安全工作波段的人眼安全相干多普勒测风激 光雷达发射源。
背景技术：
在各种气象参数中，如风速、云密度、云顶高、水蒸气浓度、温度和压力，对 于许多用户需求，直接风速测量是最有价值的，而且传统的测量手段很难实时获得 高分辨的风场垂直分布。经过实验和比较，激光多普勒测风雷达以其探测时空分辨 率高等优越性能成为近些年来激光测风遥感重点方向。
1.5um相关激光雷达具有的优势是(1)人眼最大许可曝光量降低了一个量 级；(2)光纤通信的快速发展，使得全光纤激光雷达的发射源、连接件和探测器等
容易获得，因此成本低、结构紧凑、效率高；(3)短的波长，距离分辨率和速度分
辨率乘积更小。
2000年瑞典防御研究军事部门的Karlsson等采用振荡-放大 (Master-Oscillator Power-Amplifier,以下简称为MOPA)结构1W的光纤激光器， 实现了全光纤1.55,连续波相干激光雷达测量距离、速度、振动和风速等，探测距 离从几十米到几百米，风速测量精度小于lm/s。日本三菱电器公司从1999年开始就 从事l. 5Mffl相干测风激光雷达的研究，先后研制了采用Er, Yb:Glass激光器的激光雷 达系统，以及最近的全光纤激光雷达系统。2005年法国Stachlewska等采用波长为 1. 54pm的全光纤相干激光雷达，测量了50-300m的风速，距离分辨率30m，风速测量 范围土15m/s,测量误差小于lm/s。关于光纤相关激光测风的研究，国内还没有公开 报道。从2006年开始，国内有两家单位从事1.5pm相干激光近距离风场测量研究。
在激光发射源方面，近两年光纤激光器由于具有结构紧凑、稳定性高，光束质 量好等优点正逐渐被广泛重视，成为热点，国外已经研发出全光纤的激光发射源， 大多采用种子源振荡-放大(Master-Oscillator Power-Amplifier, MOPA)的系统，一般采用三级放大结构，不过主要是采用连续的工作方式，且输出激光非线偏振； 国内已经有单位开始这方面的工作，但是所用结构一般使用两级放大方式，且处于 连续工作状态，同样也是非线偏振特性。
连续工作的发射器使雷达只能实现定点距离测量，而脉冲式的可以实现连续距 离测量，而且在距离分辨率和速度分辨率上大大提高，高重频状态下更可以提高雷 达探测信噪比的精度，重复频率和脉冲宽度又和外差探测频率分辨率和距离分辨率 直接相关，相比非线偏振的激光，在同样功率下，线偏振激光源输出可以使雷达的 最大探测距离提高一倍，大大提高实用性。
发明内容
本实用新型的目的是为了获得相干多普勒测风雷达所需辜的光源，提供一种人
眼安全相干多普勒测风激光雷达发射源，该发射源是一种对人眼安全的、高重频的、
大脉冲能量的、线偏振的和窄线宽的1.5^un激光。 本实用新型技术解决方案是
一种人眼安全相千多普勒测风激光雷达发射源，包括种子源、第一光纤隔离器、
分光器和光纤放大系统，其特点是在所述的分光器和光纤放大系统之间还有电光 Q开关；所述的种子源、第一光纤隔离器、分光器、电光Q开关和光纤放大系统通 过光纤依次相连，所述的种子源是线偏振的、中心波长1.54,、振荡-放大的和尾纤
输出的分布反馈式半导体激光器；所述的分光器采用光纤耦合器；所述的电光Q开
关是光纤输入输出的并由电光调Q晶体、稳压驱动源、信号发生器、偏振控制器和
检偏器构成；所述的光纤放大系统为全光纤多级级联放大结构。
所述的光纤放大系统为全光纤三级级联放大结构，第一级由高密度波分复用器、 第一泵浦源、第一放大光纤、第二光纤隔离器和第一光纤窄带滤波器依次相连构成; 第二级由第一光纤合束器、第二泵浦源、第二放大光纤、第三光纤隔离器和第二光 纤窄带滤波器构成；第三级由第二光纤合束器、第三泵浦源、第三放大光l千依次相 连构成。
所述的光纤放大系统为全光纤三级级联放大结构，第一级由高密度波分复用器、 第一泵浦源、第一放大光纤、第二光纤隔离器、第一环行器和第一光纤光栅依次相 连构成；第二级由第一光纤合束器、第二泵浦源、第二放大光纤、第三光纤隔离器、 第二环行器和第二光纤光栅依次相连构成；第三级由第二光纤合束器、第三泵浦源、第三放大光纤依次相连构成。
所述的第一放大光纤为保偏掺铒光纤；第二放大光纤是保偏铒镱共掺光纤；第 三放大光纤是保偏大模场铒镱共掺光纤。
所述的第一泵浦源是单个200mw量级尾纤输出的中心波长为976nm的单模半导 体二极管；所述的第二泵浦源是单个5w量级尾纤输出的多模半导体二极管所述 的第三泵浦源是由多个5w量级尾纤输出的半导体二极管集合而成。
所述的光纤隔离器起保护种子源的作用，所述光纤耦合器，用来分出用于雷达 外差测量的本征光，所述的Q开关位于所述的分光器之后光纤放大系统之前，形成 脉冲工作光源，所述的光纤放大系统由高密度波分复用器(DenseWavelength-Division Multiplexing, DWDM)'和光纤合束器构成全光纤级联式三级放大结构，实现了一个小 型化的、全光纤的、重复频率和脉宽可调节的、线偏振的、窄线宽的、处于人眼安 全工作波段的激光器。
所述的光纤放大系统通过高密度波分复用器(DenseWavelength-Division Multiplexirig, DWDM)和光纤合束器构成全光纤级联式多级放大结构。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点
1、 本实用新型的种子源采用振荡-放大，整个激光器采用脉冲放大形式，输出 激光处于重复频率和脉宽可调节的脉冲工作状态。
2、 本实用新型采用波长选择技术，具体为窄带滤波器和光纤光栅，从而输出单 频激光。
3、 本实用新型采用保偏器件和偏振控制技术，使得系统输出激光为线偏振光。
4、 本实用新型采用三级放大保证最后激光器的输出功率强度，因为它使用了 粗纤芯的大模场光纤，保证足够增益，而同样的功率情况下线偏振的激光源就具有 距离上探测上的优势，而高重频脉冲式光源在速度分辨率、距离分辨率和时间分辨 率上比连续光源具有较大优势。
总之，.本实用新型发射源具有小型化、全光纤、重复频率和脉宽可调节、线偏 振、窄线宽和对人眼安全的特点。
图1是本实用新型人眼安全相干多普勒测风激光雷达发射源的总体示意框图。图2是本实用新型所用的电光Q开关系统的示意图。
图3是本实用新型实施例1所采用的光纤放大系统的光路示意图。
图4是本实用新型实施例2所采用的光纤放大系统的光路示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，但不应以此限制本实用
新型的保护范围。 实施例l
先请参阅图1、图2、图3，图1是本实用新型人眼安全相干多普勒测风激光雷 达发射源的较佳实施例的总体示意框图，图2是本实用新型所用的电光Q开关系统 的示意图，图3是本实用新型实施例1所采用的光纤放大系统的光路示意图。由图 可见，本实用新型人眼安全相千多普勒测风激光雷达发射源，包括种子源1、第一 光纤隔离器2、分光器3和光纤放大系统5，在所述的分光器3和光纤放大系统5 之间还有电光Q开关4;所述的种子源l、第一光纤隔离器2、分光器3、电光Q开 关4和光纤放大系统5通过光纤依次相连；所述的种子源l是线偏振的、中心波长 1.54pm、振荡放大的和尾纤输出的分布反馈式半导体激光器；所述的分光器3采用 光纤耦合器；所述的电光Q开关4是光纤输入输出的并由电光调Q晶体401、稳压 驱动源402、信号发生器403、偏振控制器404和检偏器405构成；所述的光纤放 大系统5为全光纤三级级联放大结构，第一级由高密度波分复用器5011、第一泵浦 源5012、第一放大光纤5013、第二光纤隔离器5014和第一光纤窄带滤波器5015a 依次相连构成；第二级由第一光纤合束器5021、第二泵浦源5022、第二放大光纤 5023、第三光纤隔离器5024和第二光纤窄带滤波器5025a构成；第三级由第二光 纤合束器5031、第三泵浦源5032、第三放大光纤5033依次相连构成。
所述第一光纤隔离器2起保护种子源的作用，所述的光纤耦合器3用来分出用 于雷达外差测量的本征光；所述的电光Q开关4也是光纤输入输出，位于所述的光 纤耦合器3之后，所述的种子源1发出的种子激光经第一光纤隔离器2和光纤耦合 器3后与电光调Q晶体401输入端连接，经检偏器405后，由高密度波分复用器5011 输入所述的光纤放大系统5。
下面为该实施例1的具体参数所述的种子源l是线偏振的、中心波长1.54^un、振荡放大的和尾纤输出的分 布反馈式半导体激光器(Distributed Feedback Laser Diode， DFB),线宽500kHz， 中心波长1543nm;经分光比1:9的光纤耦合器3分出本征光后，卯。/。能量经电光Q 开关4后，调制成脉冲激光，经保偏的高密度波分复用器5011和第一泵浦源5012 一起注入到第一级放大光纤5013。
第一泵浦源5012采用单个200nw量级的单模尾纤输出的中心波长976nm的半 导体激光二极管，第一级放大光纤5013采用保偏掺铒单模光纤，放大激光经第二 光纤隔离器5014、光纤滤波器5015a后输出，第二光纤隔离器5014抑制回光损伤 光纤和泵源，光纤滤波器5015a控制输出光谱。
第一级输出激光由一个保偏的(2+1) *1的第一光纤合束器5021和第二级泵浦 源5022 —起注入到第二级放大光纤5023，第二级泵浦源5022采用单个高功率5w 量级的多模尾纤输出的中心波长976nni半导体激光二极管，第二级放大光纤5023 使用保偏单模铒镱共掺双包层光纤，然后经第三光纤隔离器5024、第二光纤滤波器 5025a输出，同样第三光纤隔离器5024抑制回光损伤光纤和泵源，第二光纤滤波器 5025a控制输出光谱。
第二级输出激光由一个保偏的(6+1) *1的第二光纤合束器5031和第三级泵浦 源5032 —起注入到第三级放大光纤5033，第三级泵浦源5032采用多个高功率5w 量级的中心波长976nm半导体激光二极管集合而成，形成'15-20 w量级的总泵源功 率，第三级放大光纤5033采用保偏大模场铒镱共掺双包层光纤，纤芯达到25pm量 级，大大提高增益转化效率。
最后总输出激光中心波长1543nm、重复频率和脉冲宽度可调谐的、平均功率 lw、线宽500khz、脉冲能量100^J左右，达到近场测风雷达所需激光器要求。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于光纤放大系统，请参阅图4，图4是本实用新 型实施例2所采用的光纤放大系统的光路示意图。
由图可见，本实用新型人眼安全相干多普勒测风激光雷达发射源，由种子源1、 第一光纤隔离器2、光纤耦合器3、电光Q开关4和光纤放大系统5构成，所述的 种子源l为中心波长1.54iim、尾纤输出的分布反馈式半导体激光器(Distributed Feedback Laser Diode, DFB);所述第一光纤隔离器2起保护种子源的作用，所述的光纤耦合器3用来分出用于雷达外差测量的本征光；所述的电光Q开关4系统也
是光纤输入输出，位于所述的光纤耦合器3之后，由电光调Q晶体401、稳压驱动 源402、信号发生器403、偏振控制器404、检偏器405构成；所述的光纤放大系统 5为全光纤三级放大结构，第一级由高密度波分复用器5011、第一泵浦源5012、第 一放大光纤5013、第二光纤隔离器5014、第一环行器5015b和第一光纤光栅5015c 依次相连构成；第二级由第一光纤合束器5021、第二泵浦源.5022、第二放大光纤 5023、第三光纤隔离器5024、第二环行器5025b和第二光纤光栅5025c依次相连构 成；第三级由第二光纤合束器5031、第三泵浦源5032、第三放大光纤5033依次相 连构成。
所述的种子源1发出的种子激光经第一光纤隔离器2和光纤耦合器3后进入所 述的电光调Q晶体401的输入端，经检偏器405后，由高密度波分复用器5011输入 所述的光纤放大系统5，最后由该光纤放大系统5的第三放大光纤5033输出激光。
下面为该实施例2的具体参数
种子源1采用中心波长1.5 m的尾纤输出的分布反馈式半导体激光器，线宽 500kHz，中心波长1543mn;先经分光比1:9的光纤耦合器3分出本征光后，90%能 量经电光Q开关4后，调制成脉冲激光，经保偏的高密度波分复用器5011和第一泵 浦源5012 —起注入到第一级放大光纤5013。
第一泵浦源5012采用单个200iw量级的单模尾纤输出的中心波长976nm的半 导体激光二极管，第一级放大光纤5013采用保偏掺铒单模光纤，放大激光经第二 光纤隔离器5014、第一光纤环行器5025b、第一光纤光栅5025c后输出，第二光纤 隔离器5014抑制回光损伤光纤和泵源，第一光纤环行器5025b、第一光纤光栅5025c 控制输出光谱。
第一级输出激光由一个保偏的(2+1) *1的第一光纤合束器5021和第二级泵浦 源5022 —起注入到第二放大光纤5023，第二泵浦源5022采用单个高功率5w量级 的多模尾纤输出的中心波长976nm半导体激光二极管，第二放大光纤5023使用保 偏单模铒镱共掺双包层光纤，然后经第二光纤隔离器5024、第二光纤环行器5025b 输出，同样第二光纤隔离器5024抑制回光损伤光纤和泵源，所述的第二光纤环行 器5025b和第二光纤光栅5025c控制输出光谱。
第二级输出激光由一个保偏的(6+1) *1的第二光纤合束器5031和第三级泵浦源5032 —起注入到第三级放大光纤5033，第三级泵浦源5032采用多个高功率5w 量级的中心波长976mn半导体激光二极管集合而成，形成15-20 w量级的总泵源功 率，第三级放大光纤5033采用保偏大模场铒镱共掺双包层光纤，纤芯达到25pm量 级，大大提高增益转化效率。
最后总输出激光'中心波长1543nm、重复频率和脉冲宽度可调谐的、平均功率 lw、线宽500khz、.脉冲能量lOOiaJ左右，达到近场测风雷达所需激光器要求。
实验表明，本实用新型可实现线偏振l. 5pm激光高脉冲能量，线偏振、窄线宽的 输出，为相干多普勒测风雷达提供稳定的发射光源，用于大气风场测量，在气象、 天气、环境和军事领域具有极其重要的应用。
权利要求1、一种人眼安全相干多普勒测风激光雷达发射源，包括种子源(1)、第一光纤隔离器(2)、分光器(3)和光纤放大系统(5)，其特征是在所述的分光器(3)和光纤放大系统(5)之间还有电光Q开关(4)；所述的种子源(1)、第一光纤隔离器(2)、分光器(3)、电光Q开关(4)和光纤放大系统(5)通过光纤依次相连；所述的种子源(1)是线偏振的、中心波长1.54μm、主振控制功率放大的和尾纤输出的分布反馈式半导体激光器；所述的分光器(3)采用光纤耦合器；所述的电光Q开关(4)是光纤输入输出的并由电光调Q晶体(401)、稳压驱动源(402)、信号发生器(403)、偏振控制器(404)和检偏器(405)构成；所述的光纤放大系统(5)为全光纤多级级联放大结构。
2、 根据权利要求1所述的人眼安全相干多普勒测风激光雷达发射源，其特征在 于所述的光纤放大系统(5)为全光纤三级级联放大结构，第一级由高密度波分复用器 (5011)、第一泵浦源(5012)、第一放大光纤(5013)、第二光纤隔离器(5014)和第一 光纤窄带滤波器(5015a)依次相连构成；第二级由第一光纤合束器(5021)、第二泵浦 源(5022)、第二放大光纤(5023)、第三光纤隔离器(5024)和第二光纤窄带滤波器 (5025a)构成；第三级由第二光纤合束器(5031)、第三泵浦源(5032)、第三放大光纤 (5033)依次相连构成。
3、 根'据权利要求1所述的人眼安全相干多普勒测风激光雷达发射源，其特征在 于所述的光纤放大系统(5)为全光纤三级级联放大结构，第一级由高密度波分复用器 (5011)、第一泵浦源(5012)、第一放大光纤(5013)、第二光纤隔离器(5014)、第一 环行器(5015b)和第一光纤光栅(5015c)依次相连构成；第二级由第一光纤合束器 (5021)、第二泵浦源(5022)、第二放大光纤(5023)、第三光纤隔离器(5024)、第二 环行器(5025b)和第二光纤光栅(5025c)依次相连构成；第三级由第二光纤合束器 (5031)、第三泵浦源(5032)、第三放大光纤(5033)依次相连构成。
4、 根据权利要求2或3所述的人眼安全相干多普勒测风激光雷达发射源，其特 征在于所述的第一放大光纤(5013)为保偏掺铒光纤；所述的第二放大光纤(54023) 是保偏铒镱共掺光纤；所述的第三放大光纤(5033)是保偏大模场铒镱共掺光纤。
5、 根据权利要求2或3所述的人眼安全相干多普勒测风激光雷达发射源，其特 征在于所述的第一泵浦源(5012)是单个200mw量级尾纤输出的中心波长为976nm的 单模半导体二极管；所述的第二泵浦源(5022)是单个5w量级尾纤输出的多模半导体二极管所述的第三泵浦源(5032)是由多个5w量级尾纤输出的半导体二极管的 集合构成。
专利摘要一种人眼安全相干多普勒测风激光雷达发射源，包括种子源、第一光纤隔离器、分光器和光纤放大系统，其特点是在所述的分光器和光纤放大系统之间还有电光Q开关；所述的种子源、第一光纤隔离器、分光器、电光Q开关和光纤放大系统通过光纤依次相连，所述的种子源是线偏振的、中心波长1.54μm、振荡-放大的和尾纤输出的分布反馈式半导体激光器；所述的分光器采用光纤耦合器；所述的电光Q开关是光纤输入输出的并由电光调Q晶体、稳压驱动源、信号发生器、偏振控制器和检偏器构成；所述的光纤放大系统为全光纤多级级联放大结构。本实用新型发射源具有小型化、全光纤、重复频率和脉宽可调节、线偏振、窄线宽和对人眼安全的特点。
文档编号G01S7/484GK201364386SQ20092006782
公开日2009年12月16日 申请日期2009年2月18日 优先权日2009年2月18日
发明者源 刘, 刘继桥, 陈卫标 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所