大能量高效率非线性级联转换系统

1.本发明涉及全固态激光器，特别是一种大能量高效率非线性级联转换系统。


背景技术：

2.随着激光技术的发展，激光以其优越的特性在工业加工、医疗仪器、大气环境监测、陆地海洋测绘、激光通信、国防安全等领域的应用越来越广泛，发挥着重要的作用。在一些重大科研仪器装置中，高性能的全固态激光器已成为关键核心组件，对推动重大科研仪器装置的发展起到了重要作用。特别是随着我国更加复杂的激光雷达载荷的发展，激光雷达载荷呈现出多参数、多体制、高精度的发展趋势，以及随着高精尖科研仪器和未来激光遥感雷达的发展和需求，对激光器的性能指标提出了更高要求，特别是急需激光器输出的激光波长更多更特殊等。
3.目前要获得满足激光雷达载荷多参数、多体制探测所需的不同波长和特殊激光波长的技术途径，基本上都是通过非线性转换系统获得所需的激光波长。其中主要的是通过一级非线性转换系统获得一种特殊的激光波长输出，激光输出波长单一，或者再增加一路非线性转换过程增加一种激光波长，如果要获得更多更特殊的激光波长，就需要几个不同非线性转换系统拼接获得几种特殊波长的同步输出，但是这种拼接集成的非线性转换系统的同步控制比较困难，而且系统比较复杂，特别是未来应用到星载激光雷达上的难度更大，限制了未来高精尖科研仪器和激光遥感雷达的快速发展。为满足未来激光遥感雷达对激光器不同激光波长的迫切需求，对于一个非线性转换系统能够同步输出不同激光波长和特殊激光波长急需发展一种新的技术途径。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种大能量高效率非线性级联转换系统，采用1064nm的单频、高光束质量大能量激光作为非线性转换过程泵浦源，首先通过opo产生高频率稳定性单频的2.29um和2.05um激光，再通过opa放大技术放大激光能量，获得应用于大气co2和ch4等温室气体探测的激光光源，由于经过opa放大后剩余的1064nm激光的光束质量恶化，激光光斑出现强度调制，拟利用后级1064nm放大系统，通过调节808nm泵浦区域内增益的不同，使剩余的1064nm激光的强度调制消失，重新获得高光束质量的1064nm激光用于后级高效非线性转换，利用整形后的高光束质量1064nm激光作为泵浦源，采用高损伤阈值的lbo晶体进行倍频和三倍频，同时获得532nm和355nm激光输出。通过前级获得的355nm激光作为泵浦源，通过opo和opa技术，获得可应用于海洋探测和测绘的大能量486nm激光光源，利用泵浦激光增益整形技术优化前级三倍频后的1064nm激光的光束质量，通过拉曼和倍频非线性转换技术，获得310nm激光输出。最终，采用通过一个高效率的非线性级联转换系统，获得单频、高频率稳定性310nm，355nm，532nm，486nm和1064nm等多种激光波长的同步输出，通过该非线性级联技术，为激光雷达在多要素、多体制探测方面提供更高效、系统更简单紧凑的激光光源，特别是在高精度大气温室气体、气溶胶/云、大气风场探测、跨
介质海洋生态环境、初级生产力和地形立体测量等领域的激光雷达提供了新的技术途径。
5.本发明的技术解决方案如下：
6.一种大能量高效率非线性级联转换系统，其特点在于，包括大能量1.0μm激光源、二倍频模块、三倍频模块、泵浦增益整形模块，拉曼晶体、拉曼倍频晶体、倍频模块、opo模块，
7.沿所述的大能量1.0μm激光源激光传输方向依次进入耦合整形系统的透镜、透镜、透镜和透镜，经过整形后的激光进入二倍频模块、三倍频模块，通过三色镜透过经过前面二倍频模块、三倍频模块非线性转换后光束质量恶化的1.0μm激光，光束质量恶化后的1.0μm激光经过泵浦增益整形模块后，进行1.0μm激光光束质量的优化和能量提升，依次经过透镜、透镜、镀有1.0μm高反膜45
°
第一反射镜、第二反射镜后，进入由拉曼前腔镜和拉曼后腔镜组成的拉曼谐振腔，经过拉曼晶体和拉曼倍频晶体输出的激光，经过双色镜进入倍频模块，激光经过双色镜和双色镜反射输出；
8.经三色镜反射的非线性转换激光，经过双色镜进入opo模块，激光分别经过两个双色镜后输出；
9.所述的大能量1.0μm激光源输出激光的能量大于500mj。
10.所述的二倍频模块是lbo晶体，两个通光端面镀有532nm和1064nm双波长增透膜，所述的二倍频模块的lbo晶体尺寸为10mmx10mmx30mm，所述的三倍频模块是lbo晶体，两个通光端面镀有355nm、532nm和1064nm三波长增透膜，所述的三倍频模块的lbo晶体尺寸为10mmx10mmx30mm。
11.所述的泵浦增益整形模块内部的晶体为nd:yag板条晶体，晶体尺寸为8x10x136 mm3，所述的泵浦增益整形模块的泵浦源为波长为808nm的激光二极管。
12.所述的拉曼晶体的尺寸为5x5x10 mm3，两个通光端面镀有1240nm和1064nm双波长增透膜，所述的腔内倍频模块是lbo晶体，晶体尺寸为10mmx10mmx20mm，两个通光端面镀有1240nm、1064nm和620nm三波长增透膜。
13.所述的二倍频模块是lbo晶体，两个通光端面镀有620nm和1064nm双波长增透膜，所述的二倍频模块的lbo晶体尺寸为10mmx10mmx30mm。
14.所述的opo模块中的晶体为bbo晶体，两个通光端面镀有355nm和486nm双波长增透膜，bbo晶体尺寸为10mmx10mmx30mm。
15.最终通过一个高效率的非线性级联转换系统，获得单频、高频率稳定性310nm，355nm，532nm，486nm和1064nm等多种激光波长的同步输出。
16.本发明具有以下优点：
17.1、本发明中采用非线性级联技术，一个非线性级联转换系统就可以实现不同激光波长和特殊激光波长的同步输出，代替了复杂的传统的非线性并联系统，大大减小了整个系统的复杂程度，保证了整个非线性级联转换系统的可靠性和稳定性。
18.2、本发明采用从最初的大能量1.0μm激光源作为整个非线性级联转换系统的基频泵浦源，更容易实现不同激光波长的同时刻输出，不再额外增加同步时序控制系统，提高了整个非线性级联转换系统的紧凑性。
19.3、本发明采用泵浦增益整形模块，利用该泵浦增益整形模块特性，优化了经过前级非线性转换过程后剩余的1064nm激光的光束质量，使剩余的1064nm激光的强度调制消
失，消除了由于激光光斑的强度调制造成光学元器件损伤的问题，使重新获得的高光束质量的1064nm激光用于后级非线性转换，提高了整个非线性级联转换系统的转换效率。而且泵浦增益整形模块中的晶体均采用板条晶体，泵浦方式均采用了全反点泵浦技术，提高了放大效率和输出激光的光束质量。
20.4、本发明通过一个高效率的非线性级联转换系统，就可以获得大能量、单频、高频率稳定性310nm，355nm，532nm，486nm和1064nm等多种激光波长的同步输出，可以实现同步对大气co2和ch4等温室气体探测、气溶胶/云、大气风场探测以及海洋探测，大大降低了探测系统的复杂性。
21.5、本发明提出了一种可以实现不同激光波长和特殊激光波长同步输出的技术方案，可以为未来激光雷达在多要素、多体制探测方面提供更高效、系统更简单紧凑的激光光源。同时，也为将来一个激光雷达载荷就可以实现多种激光遥感参数探测提供了一种新的技术途径。
附图说明
22.图1是本发明大能量高效率非线性级联转换系统的结构示意图。
具体实施方式
23.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。
25.如图1所示，由图可见，本发明大能量高效率非线性级联转换系统，包括大能量1.0μm激光源1、二倍频模块6、三倍频模块7、泵浦增益整形模块9，拉曼晶体15、拉曼倍频晶体16、倍频模块19、opo模块22。
26.沿所述的大能量1.0μm激光源1激光传输方向依次进入耦合整形系统的第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4和第四透镜5，经过整形后的激光进入二倍频模块6、三倍频模块7，通过三色镜8透过经过前面二倍频模块6、三倍频模块7非线性转换后光束质量恶化的1.0μm激光，光束质量恶化后的1.0μm激光经过泵浦增益整形模块9后，进行1.0μm激光光束质量的优化和能量提升，依次经过第五透镜10、第六透镜11、镀有1.0μm高反膜45
°
第一反射镜12、第二反射镜后13，进入拉曼谐振腔，经过拉曼晶体15和拉曼倍频晶体16，其中谐振腔前腔镜14和谐振腔后腔镜17产生620nm的激光，经过1064nm高反620nm高透双色镜18进入倍频模块19，倍频后的激光经过310nm高反620nm高透双色镜20后发射输出310nm激光。另外，532nm激光经过355nm高反532nm高透双色镜21透射输出532nm激光。
27.经三色镜8反射的非线性转换激光，经过双色镜21进入opo模块22，激光分别经过355nm高反486nm高透双色镜23和486nm高反镜24后输出高能量的486nm波长的激光。
28.整个非线性级联系统通过二倍频、三倍频、拉曼频移以及opo等一系列的非线性转换过程同步获得310nm，355nm，532nm，486nm和1064nm等多种激光波长。
29.所述的大能量1.0μm激光源1输出激光的能量大于500mj。
30.所述的二倍频模块6是lbo晶体，两个通光端面镀有532nm和1064nm双波长增透膜，所述的二倍频模块6的lbo晶体尺寸为10mmx10mmx30mm，所述的三倍频模块7是lbo晶体，两个通光端面镀有355nm、532nm和1064nm三波长增透膜，所述的三倍频模块7的lbo晶体尺寸为10mmx10mmx30mm。
31.所述的泵浦增益整形模块9内部的晶体为nd:yag板条晶体，晶体尺寸为8x10x136 mm3，所述的泵浦增益整形模块9的泵浦源为波长为808nm的激光二极管。
32.所述的拉曼晶体15的尺寸为5x5x10 mm3，两个通光端面镀有1240nm和1064nm双波长增透膜，所述的腔内倍频模块16是lbo晶体，晶体尺寸为10mmx10mmx20mm，两个通光端面镀有1240nm、1064nm和620nm三波长增透膜。
33.所述的二倍频模块19是lbo晶体，两个通光端面镀有620nm和1064nm双波长增透膜，所述的二倍频模块19的lbo晶体尺寸为10mmx10mmx30mm。
34.所述的opo模块22中的晶体为bbo晶体，两个通光端面镀有355nm和486nm双波长增透膜，bbo晶体尺寸为10mmx10mmx30mm。
35.整个非线性级联系统通过二倍频、三倍频、拉曼频移以及opo等一系列的非线性转换过程同步获得310nm，355nm，532nm，486nm和1064nm等多种激光波长。
36.以上实施例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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使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。