专利名称：三频激光产生装置及方法
技术领域：
本发明涉及激光多频产生方法，尤其涉及一种钠测温测风激光雷达的多频激光产生装置和方法。
背景技术：
声光调制技术主要利用的是声光相互作用的基本原理，实现激光频率频移的目的。声光效应是声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，导致介质折射率的变化。当光通过此受到声扰动的介质时，将产生衍射现象。当光以不同角度穿过声光调制器件时，可产生两种不同形式的衍射，一种是拉曼-纳斯衍射，一种是布拉格衍射。在声光介质中当光波传播方向与超声波传播方向相垂直，且声波波长较长，同时光波与声波相互作用的距离较短时，在中央亮点两侧对称地出现多级衍射光谱，这种现象称为拉曼-纳斯衍射。拉曼纳斯衍射只限于低频工作，带宽较小。当光波以布拉格入射角斜入射到声光介质中，超声波频率较高，声光作用长度较大，产生不对称衍射光， 具有零级和一级(正一级或负一级)衍射光的现象，称为布拉格衍射。布拉格衍射声波频率较高，声光作用距离长，带宽大。理论上，拉曼纳斯衍射的最大效率为33. 9%，布拉格衍射的效率可达100%。所以实际器件多米用布拉格衍射。声光器件一般由声光介质、压电换能器和吸声材料组成。声光介质是声波和光波相互作用的介质。吸声材料的作用是吸收通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波。将介质的端面磨成斜面或成牛角状，同样可达到吸声的作用。压电换能器又称超声发生器，由妮酸锂晶体或其它压电材料制成。它的作用是将电功率换成声功率，并在声光介质中建立起超声场。当入射光以布拉格入射角入射进声光介质时，将和超声波发生相互作用，光波的频率产生向上或向下的频移，从而可产生频率频移光的目的。在钠测温测风激光雷达系统中，为实现对中间层顶区域(80_105km)的大气温度和风场的同时测量，需要向大气中同时发射三种频率的激光，钠原子谱线D2a谱线中心频率Vtl,以及两个侧翼频率V(l+f和V(|-f。激光器可输出单一频率Vtl的激光。两个侧翼频率的激光无法通过激光器本身输出。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的主要技术问题是提供一种同一光路出射的三频激光产生器。解决钠测温测风激光雷达系统三频率激光需求。( 二 )技术方案为解决上述问题，本发明公开了一种三频激光产生装置，其包括偏振分束晶体、第一块声光晶体、第二块声光晶体、光学延时波片和平面反射镜11 ;入射激光通过所述偏振分束晶体分束后得到的水平偏振光依次通过第一块声光晶体和第二块声光晶体，而通过所述第二块声光晶体的水平偏振光经过所述光学延时波片后，再经平面反射镜反射，反射光再依次通过光学延时波片、第二块声光晶体、第一块声光晶体，其中，通过控制所述第一块声光晶体和第二块声光晶体对入射到其的激光进行频移或不频移，进而产生三频激光。本发明还公开了一种三频激光产生方法，该方法包括将入射激光通过偏振分束晶体进行分束，得到水平偏振光；将水平偏振光经第一块声光晶体输出；将所述第一块声光晶体输出的光经第二块声光晶体输出；将所述第二块声光晶体输出的光经光学延时波片输出，并经平面反射镜反射，然后依次通过所述光学延时波片、第二块声光晶体、第一块声光晶体和偏振分束晶体；
其中，通过控制所述第一块声光晶体和第二块声光晶体对入射到其的激光进行频移或不频移，进而产生三频激光。(三)有益效果本发明的优点和效果是采用固频驱动的声光晶体器件，可实现激光频率的精确稳定的频率频移，通过控制两块晶体的不同工作状态，可产生三个频率激光。采用多维调整的结构设计，可方便实现光功率的优化调整。引入光学延时波片，偏振器件，采用独特的光路结构和设计以及光学斩波器，可实现三个频率激光沿同一光路序列出射。
图1是本发明公开的三频激光发生器的结构示意图；图2为本发明中三频激光发生器的控制时序图；图3为本发明中斩波器盘片的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图1所示，三频激光发生器包括第一块小孔1，偏振分束晶体2，第二块小孔3，第一块透镜4,第一块声光晶体5,组合透镜6,第二块声光晶体7,光学延时波片8,第二块透镜9，光学斩波器10，平面反射镜11，光学斩波器控制器12，声光晶体电源驱动器13，时序控制器14和信号同步器15。所说偏振分束晶体固定于二维调整架上，二维调整架整体固定于XOZ平面内倾斜方向和YOZ平面内倾斜方向可调整的支撑杆。所说第一块声光晶体，第二块声光晶体固定于X轴方向、Y轴方向、Z轴方向、XOY平面内旋转、XOZ平面内倾斜方向和YOZ平面内倾斜方向共六个方向可调整的组合架上，且每块声光晶体均配套有带TTL电平控制的固频电源驱动器。所说的组合透镜，第二块透镜固定于X轴、Y轴和Z轴共三个方向可调的组合架上。所说光学斩波器固定于X轴方向可调的一维平移台上(其中X轴在水平方向垂直于光轴、Y轴为光轴方向，Z轴在竖直方向垂直于光轴)。所述声光晶体电源驱动器根据输入的TTL脉冲信号调制输出射频脉冲信号，所述三频激光发生器通过控制两块声光晶体的所述声光晶体电源驱动器输出的射频脉冲信号来控制声光晶体的工作状态，从而控制激光频率的变化，获得三个频率的激光。当输入到两块声光晶体的电源驱动器的TTL脉冲信号都为低电平时，可输出频率为Vtl的激光；当第一块声光晶体的电源驱动器的TTL输入为高电平，而第二块声光晶体的电源驱动器的TTL输入为低电平，可输出频率为V(l+f的激光；当第一块声光晶体的电源驱动器的TTL输入为低电平，而第二块声光晶体的电源驱动器的TTL输入为高电平，可输出频率为V(1-f的激光；具体实施方式
参见图1。入射的连续激光由偏振分束晶体2分束，其中S成分(垂直于入射面)将被反射，大部分P成分(平行于入射面)透过，从而使得透射光为P成分光，使得经过后述器件返回的垂直于入射面的S成分光反射出去。透射光(水平偏振光)由第一块透镜4聚焦到第一块声光晶体5，再经过组合透镜6聚焦到第二块声光晶体7上。接着经光学延时波片8，再由第二块透镜9准直，经过光学斩波器10的盘片孔槽，由平面反射镜11反射，反射的光再次经过光学斩波器10的盘片孔槽和第二块透镜9到光学延时波片8，水平偏振光第一次通过光学延时波片8时变为圆偏振光，返回的圆偏振光再次通过光学延时波片8,变成垂直于入射面的垂直偏振光,该垂直偏振光依次经过第二块声光晶体7、组合透镜6、第一块声光晶体5、第一块透镜4,到达偏振分束晶体2,由于此时光为垂直于入射面的偏振光，将在分束晶体分光面被反射出去。在偏振分束晶体2的前后安装有两个孔径可调的第一块小孔I和第二块小孔3，其目的是用于更加方便地调整光路。其中第一块声光晶体5安装在第一块透镜4的焦点处，具体位置调整可通过六个方向可调的组合镜架调整。组合透镜6的位置和第一块透镜4关于第一块声光晶体5对称，第二块声光晶体7安装在 组合透镜6的焦点处，第二块透镜9安装在使得返回光的焦点落在第二块声光晶体7上，光学延时波片8安装在第二块声光晶体7和第二块透镜9之间，光学斩波器10安装在第二块透镜9之后尽量靠近其的位置(不妨碍机械调整结构即可)，平面反射镜11安装在光学斩波器之后尽量靠近其的位置(不妨碍机械调整结构即可)。第一块声光晶体5的光轴和入射光光轴夹角为布拉格入射角，第二块声光晶体7的光轴和入射光光轴夹角为负的布拉格入射角。声光晶体(5或7)的工作状态通过其配套的电源驱动器13的TTL调制端口输入的TTL电平脉冲信号控制。需当施加TTL高电平信号时，以布拉格入射角入射的激光经声光晶体作用后将输出布拉格衍射光，理想情况下只输出O级和I级(或-1级)衍射光，输出的I级(或-1级)衍射光发生频移f/2(或-f/2)，输出光的角度将发生改变，其相对于入射光的分离角度为二倍布拉格入射角，而O级光不发生频移，角度不变，其中O级光强度很弱，而I级(或-1级)光强度较强。当返回光再次经过声光晶体时，将再次产生频移f/2 (或-f/2)，总的频移为f(即-f)。当光的传播方向在声光晶体内声波方向轴上投影和声波传播方向相反时，频移为f，而方向一致时频移为-f。本发明利用声光晶体器件的I级(或-1级)衍射光的频移特性。参照图2，下面具体介绍三频激光发生器的具体工作情况。TTL脉冲信号201是时序控制器14输出的同步信号，用于同步光学斩波器10，其输入给信号同步器15。脉冲信号202是光学斩波器10输出的信号,用于和TTL脉冲信号201同步，其同样输入给信号同步器15。时序控制器14输出的脉冲信号203连接到声光晶体电源驱动器13的TTL调制端口用于控制第一块声光晶体5的接口，用于控制该第一块声光晶体是否工作。时序控制器14输出的脉冲信号204连接到声光晶体电源驱动器13的TTL调制端口用于控制第二块声光晶体7的接口，用于控制该第二块声光晶体是否工作。205表示的是三频激光发生器输出的光脉冲信号。在第一个脉冲周期Tl内,施加给第一块声光晶体5和第二块声光晶体7的脉冲信号203和204电平为低电平，即在第一个脉冲周期Tl，两块声光晶体都不调制激光频率，三频激光发生器输出的激光频率为％。在第二个脉冲周期T2，施加给第一块声光晶体5脉冲信号203为低电平,施加给第二块声光晶体7的脉冲信号204为高电平,第一块声光晶体5不调制激光频率，第二块声光晶体7向上频移激光频率f/2(即+f/2)，由于两次通过第二块声光晶体7，声光调制系统输出的激光频率为V(l+f。在第三个脉冲周期T3内，施加给第一块声光晶体5脉冲信号203为高电平,施加给第二块声光晶体7脉冲信号204为低电平,第一块声光晶体5向下频移激光频率f/2 (即-f/2)，第二块声光晶体7不调制激光频率，同样两次通过第一块声光晶体5，声光调制系统输出的激光频率为V(1-f。该三频激光发生器最终输出光的交替序列输出，其顺序为Vtl, v0+f和VtTf。图3是光学斩波器10斩光盘片的结构示意图。该盘片固定于光学斩波器的驱动电机上，通过时序控制器输出的同步信号201由光学斩波器控制器12控制其转速和相位。当同步信号201和脉冲信号202完全同步时，光学斩波器以恒定转速工作。当同步信号201和脉冲信号202未同步时，信号同步器将输出校正信号使其同步。而同步信号201和脉冲信号202的相位可由信号同步器设置，其用于控制光学斩波器10斩光盘片的孔槽位置和待 通过频率激光顺序一致。当处于第一个脉冲周期Tl时，声光晶体5和声光晶体7都不产生频移，且光的传播角度也不发生改变，孔槽301用于通过频率为Vtl的激光。当处于第二个脉冲周期T2时，声光晶体7工作，其将输出布拉格衍射光O级光和I级衍射光，I级衍射光角度发生改变，往盘片中心偏转，孔槽302用于通过I级衍射光，剩余的O级衍射光被盘片遮挡。当处于第三个脉冲周期T3时，声光晶体5工作，其将输出布拉格衍射光O级光和-1级衍射光，-1级衍射光角度发生改变，往盘片中心偏转，孔槽303用于-1级衍射光，剩余的O级衍射光被盘片遮挡。孔槽304用于输出脉冲信号202,其输入给信号同步器15,以与时序控制器输出的同步信号201进行同步。盘片中间部分的孔槽和圆口 305用于将盘片固定在驱动电机上。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。
权利要求
1.一种三频激光产生装置，其包括偏振分束晶体、第一块声光晶体、第二块声光晶体、光学延时波片和平面反射镜11;入射激光通过所述偏振分束晶体分束后得到的水平偏振光依次通过第一块声光晶体和第二块声光晶体，而通过所述第二块声光晶体的水平偏振光经过所述光学延时波片后，再经平面反射镜反射，反射光再依次通过光学延时波片、第二块声光晶体、第一块声光晶体，其中，通过控制所述第一块声光晶体和第二块声光晶体对入射到其的激光进行频移或不频移，进而产生三频激光。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述装置还包括声光晶体电源驱动器，所述声光晶体电源驱动器用于为声光晶体提供根据TTL脉冲信号调制的射频脉冲信号，当输入给电源驱动器的TTL脉冲信号为高电平时，所述声光晶体调制激光频率使其发生频移，当输入给电源驱动器的TTL脉冲信号为低电平时，所述声光晶体不调制激光频率。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在第一脉冲周期(Tl)，施加给第一块声光晶体和第二块声光晶体的电源驱动器的TTL脉冲信号为低电平,所述第一块声光晶体和第二块声光晶体不调制激光频率，所述装置输出的激光频率为％ ;在第二脉冲周期(T2)，施加给第一块声光晶体的电源驱动器的TTL脉冲信号为低电平，施加给第二块声光晶体的电源驱动器的TTL脉冲信号为高电平，所述第一块声光晶体不调制激光频率，所述第二块声光晶体向上频移激光频率f/2，两次经所述第二块声光晶体后，所述装置输出的激光频率为v0+f ;在第三脉冲周期(T3),施加给第一块声光晶体的电源驱动器的TTL脉冲信号为高电平，施加给第二块声光晶体的电源驱动器的TTL脉冲信号为低电平，所述第一块声光晶体向下频移激光频率f/2，所述第二块声光晶体不调制激光频率，两次经所述第二块声光晶体后，所述装置输出的激光频率为VtTf。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一块透镜、第二块透镜和组合透镜，所述第一块透镜用于将水平偏振光聚焦到所述第一块声光晶体上，所述组合透镜用于将第一块声光晶体输出的光聚焦到第二块声光晶体上，所述第二块透镜用于将经过所述光学延时波片的光聚焦到第二块声光晶体上。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学延时波片用于使入射的水平偏振光变成圆偏振光，而经过平面反射镜返回的圆偏振光再次通过时变为垂直偏振光，所述垂直偏振光到达所述偏振分束晶体后，被偏振分束晶体的分光面反射出去。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括光学斩波器，其用于将所述三个频率激光按顺序序列通过，序列通过由斩光盘片控制。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光学斩波器包括斩光盘片，该盘片包括三个孔槽，通过控制所述盘片的转速和相位，使得在第一脉冲周期(Tl)时，频率为Vtl的激光通过第一个孔槽(301)，在第二脉冲周期(T2)时，频率为V(l+f的激光通过第二个孔槽(302)，在第三脉冲周期(T3)时，频率为V(l-f的激光通过第三孔槽(303)。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括两个孔径可调的第一小孔和第二小孔；所述第一小孔和第二小孔分别安装在偏振光束晶体的前后两边，用于调整光路。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置还包括时序控制器和信号同步器，所述时序控制器用于向所述两块声光晶体的电源驱动器输出TTL脉冲信号，并输出用于同步光学斩波器的同步信号；所述信号同步器用于同步所述时序控制器输出的同步信号和所述光学斩波器输出的同步信号。
10.一种三频激光产生方法，该方法包括 将入射激光通过偏振分束晶体进行分束，得到水平偏振光； 将水平偏振光经第一块声光晶体输出； 将所述第一块声光晶体输出的光经第二块声光晶体输出； 将所述第二块声光晶体输出的光经光学延时波片输出，并经平面反射镜反射，然后依次通过所述光学延时波片、第二块声光晶体、第一块声光晶体和偏振分束晶体； 其中，通过控制所述第一块声光晶体和第二块声光晶体对入射到其的激光进行频移或不频移，进而产生三频激光。
全文摘要
本发明公开了一种三频激光产生装置，其包括偏振分束晶体、第一块声光晶体、第二块声光晶体、光学延时波片和平面反射镜11；入射激光通过所述偏振分束晶体分束后的水平偏振光依次通过第一块声光晶体和第二块声光晶体，而通过所述第二块声光晶体的水平偏振光经过所述光学延时波片后，再经平面反射镜反射，反射光再依次通过光学延时波片、第二块声光晶体、第一块声光晶体，其中，通过控制所述第一块声光晶体和第二块声光晶体对入射到其的激光进行频移或不频移，进而产生三频激光。
文档编号H01S3/13GK103022881SQ201210558428
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者方欣, 李陶, 窦贤康 申请人:中国科学技术大学