一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器的制造方法
【专利摘要】一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，涉及雷达的光源系统领域。本发明是为了解决现有2μm固体激光器输出激光透过率和转换效率低，且设备体积大的问题。本发明所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，选用LD泵浦的Tm,Ho:YAG激光器作为种子光源，光纤激光器泵浦的单掺Ho:YAG激光器作为振荡器，得到了单频脉冲2.09μm激光输出；同时本发明运用种子激光注入锁定技术，在调Q重复频率为100Hz时，获得单脉冲能量达到7.6mJ的2090.9nm单频脉冲激光输出；并且本发明全部采用固态器件，得到了全固态的激光器。本发明能够为差分吸收激光雷达和相干多普勒测风雷达提供适合的光源。
【专利说明】一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器
【技术领域】
[0001]本发明属于雷达的光源系统领域。
【背景技术】
[0002]差分吸收激光雷达和相干多普勒测风雷达是实时测量气体成分和大气风场的有力工具，凭借较高的大气传输透过率，2 μ m种子注入单频脉冲固体激光器是上述激光雷达的高性能激光发射源。根据大气透过率谱，相同功率下波长越长的2 μ m激光的传输距离越远，越有利于增大激光雷达的测量距离。激光二极管，LD，直接泵浦的2 μ m固体激光装置具有结构紧凑、性能稳定及易于维护等的优点，非常适合于实际应用。LD泵浦的Tm\Ho掺杂材料是实现2 μ m输出的有效途径，主要有:(I) 800nm左右LD泵浦单掺Tm材料；(2) 1.9 μ m左右LD泵浦单掺Ho材料；(3) 800nm左右LD泵浦Tm，Ho双掺材料。方法(I)由于其增益峰集中在1.9 μ m左右，难以得到大气透过率更高的2.1 μ m波长激光；方法⑵可以实现2.1ym波长激光输出，但是目前的1.9 μ m左右LD制作工艺不成熟，导致整个装置转换效率低、废热量大；方法(3)通常要使用低温制冷设备才能有效运转，不方便实际应用。
【发明内容】
[0003]本发明是为了解决现有2μπι固体激光器输出激光透过率和转换效率低的问题，现提供一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器。
[0004]一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，它包括:Tm，HckYAG种子激光器、Ho:YAG脉冲激光器和注入锁频伺服系统；
[0005]所述Tm，Ho: YAG种子激光器包括:第一全反镜、Tm，HoiYAG晶体、起偏元件、第一波长调谐元件、第二波长调谐元件、输出耦合镜和激光二极管；
[0006]所述Ho: YAG脉冲激光器包括:2μηι输出稱合镜、第一 2 μ m全反镜、Ho: YAG晶体、第二 2 μ m全反镜、第三2 μ m全反镜、声光调Q晶体和光纤激光器；
[0007]激光二极管发出的LD泵浦光依次经过第一全反镜、Tm, HoiYAG晶体、起偏元件、第一波长调谐元件、第二波长调谐元件和输出耦合镜透射出Tm，HckYAG种子激光器，Tm, Ho: YAG种子激光器输出的激光作为种子激光；
[0008]2 μ m输出I禹合镜13、第一 2 μ m全反镜14、Ho: YAG晶体15、第二 2 μ m全反镜16、第三2 μ m全反镜17和声光调Q晶体18构成了一个环形腔，2 μ m输出耦合镜将其接收到的种子激光透射到第一 2 μ m全反镜上，第一 2 μ m全反镜将该种子激光反射到Ho = YAG晶体的一端，光纤激光器发出的泵浦光透过第一 2 μ m全反镜入射到HckYAG晶体的一端，Ho:YAG晶体的另一端输出的激励光经过第二 2 μ m全反镜透射出Ho: YAG脉冲激光器，Ho: YAG晶体的另一端输出的种子激光入射到第二 2 μ m全反镜上，第二 2 μ m全反镜将该种子激光反射到第三2 μ m全反镜上，第三2 μ m全反镜将该种子激光分束为反射光和透射光，该反射光入射到声光调Q晶体中，该透射光经第三2 μ m全反镜透射出Ho: YAG脉冲激光器，声光调Q晶体输出的单频脉冲激光经过2 μ m输出耦合镜透射出Ho: YAG脉冲激光器；[0009]注入锁频伺服系统的驱动端用于驱动第三2 μ m全反镜对其接收到的种子激光进行谐振扫描，注入锁频伺服系统的控制信号输出端连接声光调Q晶体的控制信号输入端。
[0010]它还包括:耦合系统，所述耦合系统包括:变换透镜、二分之一波片、光学隔离元件、第二全反镜、第三全反镜和变换透镜；
[0011]变换透镜将其接收到的种子激光依次通过二分之一波片和光学隔离元件透射到第二全反镜上，第二全反镜将该种子激光反射到第三全反镜上，第三全反镜将该种子激光反射到变换透镜上，变换透镜将该种子激光透射出耦合系统。
[0012]所述注入锁频伺服系统包括:压电陶瓷、红外探测器和电学伺服系统；
[0013]压电陶瓷的驱动端作为注入锁频伺服系统的驱动端，压电陶瓷的驱动信号输入端连接电学伺服系统的驱动信号输出端，红外探测器用于探测第三2 μ m全反镜透射出的种子激光的谐振强度，红外探测器的电信号输出端连接电学伺服系统的电信号输入端，电学伺服系统的控制信号输出端作为注入锁频伺服系统的控制信号输出端。
[0014]本发明所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，选用LD泵浦的Tm, HoiYAG激光器作为种子光源，选用光纤激光器泵浦的单掺HckYAG激光器作为振荡器，得到了雷达系统所需要的单频脉冲2.09 μ m激光输出；同时本发明运用种子激光注入锁定技术，在调Q重复频率为IOOHz时，获得单脉冲能量达到7.6mJ的2090.9nm单频脉冲激光输出，激光线宽为3.5MHz，脉冲宽度为132ns ;并且本发明全部采用固态器件，得到了全固态的激光器。本发明所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器能够为差分吸收激光雷达和相干多普勒测风雷达提供适合的光源。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]【具体实施方式】一:参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，它包括:Tm，Ho: YAG种子激光器、Ho: YAG脉冲激光器和注入锁频伺服系统；
[0017]所述Tm，Ho: YAG种子激光器包括:第一全反镜1、Tm, Ho: YAG晶体2、起偏元件3、第一波长调谐元件4、第二波长调谐元件5、输出耦合镜6和激光二极管22 ；
[0018]所述Ho: YAG脉冲激光器包括:2μπι输出耦合镜13、第一 2μπι全反镜14、Ho: YAG晶体15、第二 2 μ m全反镜16、第三2 μ m全反镜17、声光调Q晶体18和光纤激光器23 ；
[0019]激光二极管22发出的LD泵浦光依次经过第一全反镜1、Tm, HoiYAG晶体2、起偏元件3、第一波长调谐元件4、第二波长调谐元件5和输出耦合镜6透射出Tm，HoiYAG种子激光器，Tm, HoiYAG种子激光器输出的激光作为种子激光；
[0020]2 μ m输出f禹合镜13、第一 2 μ m全反镜14、Ho:YAG晶体15、第二 2 μ m全反镜16、第三2 μ m全反镜17和声光调Q晶体18构成了一个环形腔，2 μ m输出耦合镜13将其接收到的种子激光透射到第一 2 μ m全反镜14上，第一 2 μ m全反镜14将该种子激光反射到HckYAG晶体15的一端,光纤激光器23发出的泵浦光透过第一 2 μ m全反镜14入射到Ho:YAG晶体15的一端，Ho:YAG晶体15的另一端输出的激励光经过第二 2 μ m全反镜16透射出HckYAG脉冲激光器，Ho:YAG晶体15的另一端输出的种子激光入射到第二 2 μ m全反镜16上，第二2 μ m全反镜16将该种子激光反射到第三2 μ m全反镜17上，第三2 μ m全反镜17将该种子激光分束为反射光和透射光，该反射光入射到声光调Q晶体18中，该透射光经第三2 μ m全反镜17透射出Ho:YAG脉冲激光器，声光调Q晶体18输出的单频脉冲激光经过2 μ m输出耦合镜13透射出HckYAG脉冲激光器；
[0021]注入锁频伺服系统的驱动端用于驱动第三2 μ m全反镜17对其接收到的种子激光进行谐振扫描，注入锁频伺服系统的控制信号输出端连接声光调Q晶体18的控制信号输入端。
[0022]起偏元件3能够保证Tm，HoiYAG种子激光器输出的种子激光为线偏振激光；第一波长调谐元件4和第二波长调谐元件5能够限制Tm，Ho: YAG种子激光器输出的种子激光为单纵模激光。
[0023]【具体实施方式】二:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器作进一步说明，本实施方式中，它还包括:耦合系统，所述耦合系统包括:变换透镜7、二分之一波片8、光学隔离元件9、第二全反镜10、第三全反镜11和变换透镜12 ；
[0024]变换透镜7将其接收到的种子激光依次通过二分之一波片8和光学隔离元件9透射到第二全反镜10上，第二全反镜10将该种子激光反射到第三全反镜11上，第三全反镜11将该种子激光反射到变换透镜12上，变换透镜12将该种子激光透射出耦合系统。
[0025]【具体实施方式】三:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器作进一步说明，本实施方式中，所述注入锁频伺服系统包括:压电陶瓷19、红外探测器20和电学伺服系统21 ；
[0026]压电陶瓷19的驱动端作为注入锁频伺服系统的驱动端，压电陶瓷19的驱动信号输入端连接电学伺服系统21的驱动信号输出端，红外探测器20用于探测第三2 μ m全反镜17透射出的种子激光的谐振强度，红外探测器20的电信号输出端连接电学伺服系统21的电信号输入端，电学伺服系统21的控制信号输出端作为注入锁频伺服系统的控制信号输出端。
[0027]红外探测器20将其探测到的种子激光谐振强度转换为电信号，并将该电信号发送给电学伺服系统21，电学伺服系统21将该电信号进行放大和整形，然后向声光调Q晶体18发送控制信号，实现HckYAG单频脉冲激光振荡。
[0028]【具体实施方式】四:本实施方式是对【具体实施方式】二所述的一种脉冲单频运转的
2.09微米固体激光器作进一步说明，本实施方式中，第一全反镜I的入射面、Tm, HoiYAG晶体2的两面、第二全反镜10的反射面和第三全反镜11的反射面均镀有对LD泵浦光透过率大于99.5%且振荡光反射率大于99.7%的介质膜。
[0029]【具体实施方式】五:本实施方式是对【具体实施方式】一、二或三所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器作进一步说明，本实施方式中，2 μ m输出I禹合镜13、第一 2 μ m全反镜14、HoiYAG晶体15、第二 2μπι全反镜16、第三2μπι全反镜17和声光调Q晶体18构成的环形腔的物理长度为2.Sm。
[0030]【具体实施方式】六:本实施方式是对【具体实施方式】一、二或三所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器作进一步说明，本实施方式中，输出耦合镜6对震荡光的透过率为2%，输出耦合镜6的入射面镀有LD泵浦光透过率大于99.5%的介质膜。
[0031]【具体实施方式】七:本实施方式是对【具体实施方式】一、二或三所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器作进一步说明，本实施方式中，2 μ m输出耦合镜13为曲率半径为IOOOmm的平凹镜，2 μ m输出耦合镜13的凹面镀有对振荡光透过率为18%的介质膜。
[0032]【具体实施方式】八:本实施方式是对【具体实施方式】一、二或三所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器作进一步说明，本实施方式中，第一 2 μ m全反镜14的反射面、第二 2 μ m全反镜16的反射面和第三2 μ m全反镜17凹面均镀有对LD泵浦光透过率大于99.5%且振荡光反射率大于99.7%的介质膜。
[0033]【具体实施方式】九:本实施方式是对【具体实施方式】一、二或三所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器作进一步说明，本实施方式中，第三2 μ m全反镜17为曲率半径为IOOOmm的平凹镜。
[0034]【具体实施方式】十:本实施方式是对【具体实施方式】一、二或三所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器作进一步说明，本实施方式中，激光二极管22的波长为785nm。
【权利要求】
1.一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，其特征在于，它包括:Tm，HckYAG种子激光器、Ho: YAG脉冲激光器和注入锁频伺服系统； 所述Tm，HckYAG种子激光器包括:第一全反镜(I)、Tm，HoiYAG晶体(2)、起偏元件(3)、第一波长调谐元件(4)、第二波长调谐元件(5)、输出耦合镜(6)和激光二极管(22)； 所述HckYAG脉冲激光器包括:2 μ m输出耦合镜(13)、第一 2 μ m全反镜(14)、HoiYAG晶体(15)、第二 2 μ m全反镜(16)、第三2 μ m全反镜(17)、声光调Q晶体(18)和光纤激光器(23)； 激光二极管(22)发出的LD泵浦光依次经过第一全反镜(I)、Tm, HoiYAG晶体(2)、起偏元件(3)、第一波长调谐元件(4)、第二波长调谐元件(5)和输出耦合镜(6)透射出Tm, Ho: YAG种子激光器，Tm, Ho: YAG种子激光器输出的激光作为种子激光； 2“111输出耦合镜(13)、第一24 111全反镜(14)、Ho: YAG晶体(15)、第二 2 μ m全反镜(16 )、第三2 μ m全反镜(17 )和声光调Q晶体(18 )构成了一个环形腔，2 μ m输出耦合镜(13)将其接收到的种子激光透射到第一 2 μ m全反镜(14)上，第一 2 μ m全反镜(14)将该种子激光反射到HckYAG晶体(15)的一端，光纤激光器(23)发出的泵浦光透过第一 2 μ m全反镜(14)入射到HckYAG晶体(15)的一端，HoiYAG晶体(15)的另一端输出的激励光经过第二 2μπι全反镜(16)透射出HckYAG脉冲激光器，HoiYAG晶体(15)的另一端输出的种子激光入射到第二 2μηι全反镜(16)上,第二 2 μ m全反镜(16)将该种子激光反射到第三2 μ m全反镜(17)上，第三2 μ m全反镜(17)将该种子激光分束为反射光和透射光，该反射光入射到声光调Q晶体(18)中，该透射光经第三2μπι全反镜(17)透射出Ho:YAG脉冲激光器，声光调Q晶体(18)输出的单频脉冲 激光经过2 μ m输出耦合镜(13)透射出HckYAG脉冲激光器； 注入锁频伺服系统的驱动端用于驱动第三2 μ m全反镜(17)对其接收到的种子激光进行谐振扫描，注入锁频伺服系统的控制信号输出端连接声光调Q晶体(18)的控制信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，其特征在于，它还包括:耦合系统，所述耦合系统包括:变换透镜(7)、二分之一波片(8)、光学隔离元件(9)、第二全反镜(10)、第三全反镜(11)和变换透镜(12)； 变换透镜(7)将其接收到的种子激光依次通过二分之一波片(8)和光学隔离元件(9)透射到第二全反镜(10)上，第二全反镜(10)将该种子激光反射到第三全反镜(11)上，第三全反镜(11)将该种子激光反射到变换透镜(12)上，变换透镜(12)将该种子激光透射出耦合系统。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，其特征在于，所述注入锁频伺服系统包括:压电陶瓷(19)、红外探测器(20)和电学伺服系统(21)； 压电陶瓷(19)的驱动端作为注入锁频伺服系统的驱动端，压电陶瓷(19)的驱动信号输入端连接电学伺服系统(21)的驱动信号输出端，红外探测器(20)用于探测第三2 μ m全反镜(17)透射出的种子激光的谐振强度，红外探测器(20)的电信号输出端连接电学伺服系统(21)的电信号输入端，电学伺服系统(21)的控制信号输出端作为注入锁频伺服系统的控制信号输出端。
4.根据权利要求2所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，其特征在于，第一全反镜(I)的入射面、Tm，HoiYAG晶体(2)的两面、第二全反镜(10)的反射面和第三全反镜(11)的反射面均镀有对LD泵浦光透过率大于99.5%且振荡光反射率大于99.7%的介质膜。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，其特征在于,2 μ m输出I禹合镜(13)、第一 2μηι全反镜(14)、Ho: YAG晶体(15)、第二 2μηι全反镜(16)、第三2μ m全反镜(17)和声光调Q晶体(18)构成的环形腔物理长度为2.8m。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，其特征在于，输出I禹合镜(6)对震荡光的透过率为2%,输出f禹合镜(6)的入射面镀有LD泵浦光透过率大于99.5%的介质膜。
7.根据权利要求1、2或3所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，其特征在于，2 μ m输出耦合镜(13)为曲率半径为1000mm的平凹镜，2 μ m输出耦合镜(13)的凹面镀有对振荡光透过率为18%的介质膜。
8.根据权利要求1、2或3所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，其特征在于，第一 2 μ m全反镜(14)的反射面、第二 2 μ m全反镜(16)的反射面和第三2 μ m全反镜(17)凹面均镀有对LD泵浦光透过率大于99.5%且振荡光反射率大于99.7%的介质膜。
9.根据权利要求1、2或3所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，其特征在于，第三2 μ m全反镜(17)为曲率半径为1000mm的平凹镜。
10.根据权利要求1、2或3所述的一种脉冲单频运转的2.09微米固体激光器，其特征在于，激光二极管(22)的波长为78`5nm。
【文档编号】H01S3/105GK103500920SQ201310475776
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月14日 优先权日:2013年10月14日
【发明者】戴通宇, 姚宝权, 段小明, 鞠有伦, 王月珠 申请人:哈尔滨工业大学