一种微秒脉冲钠导星激光器系统的制作方法

1.本发明涉及激光器应用领域，尤其涉及一种微秒脉冲钠导星激光器系统。


背景技术：

2.大气湍流导致的成像波前畸变是大型地基光学望远镜观测分辨率的主要限制因素。中间层顶存在天然形成的游离钠原子层，位于海拔90km处，厚度约为10km。钠层原子可以被589nm的光子激发，激发态的钠原子自发辐射产生黄色荧光。因此，基于589nm激光的钠激光导引星技术为望远镜自适应光学系统提供高效的参考信标，实现同步监测和修正大气扰动信息。理论上，钠导星自适应光学系统可以实现全天区的大气扰动修正，修正后的望远镜实际观测分辨率可至其口径衍射极限，极大地提高深空宇宙的观测能力。随着空间探索需求和技术的日益发展，钠激光导引星技术衍生出诸多新的重要应用，在深空探索、空间碎片追踪、星地间激光通信等领域具有重要研究意义，是国际科技竞争的主要研究方向。高功率的微秒脉冲钠导星激光器具有明显的技术和应用优势：在保证产生高亮度钠信标的同时，可大幅消除信标光斑拉长效应和大气瑞利散射噪声对波前探测器成像校正精度和信噪比的影响，而且为实现钠层层析探测的科研需求提供一种新颖且高效的技术手段。
3.尽管高功率微秒脉冲钠导星激光器具有重要应用前景和技术优势，但是实现满足钠导星应用需求的高功率微秒脉589nm激光极具挑战性，特别是在脉冲的重复频率、脉宽特性和输出功率方面。国际上典型的高功率微秒脉冲589nm钠导星激光器装置，一般采用脉冲泵浦的全固态1064nm和1319nm nd:yag激光技术及腔外和频技术实现脉冲钠导星激光输出(q.bian,y.bo,et al.,"investigation of return photons from sodium laser beacon excited by a 40-watt facility-class pulsed laser for adaptive optical telescope applications.,"sci.rep.8,9222(2018)；彭钦军.一种产生高平均功率高重复频率脉冲钠信标激光的装置，201210039266.8 2012.02.20cn)。固体和频方案可以实现较高的激光输出功率，但是输出脉冲的重复频率较低，均《1khz，且脉冲宽度均》100μs，因此不能高效消除信标光斑拉长效应和大气瑞利散射噪声的不利因素。此外，受限于nd:yag激光晶体的热效应，脉冲重复频率提升极为困难，同时还会造成输出光斑劣化的现象。固体和频钠导星激光器装置是基于全固态激光器技术，其结构非常庞大且复杂，其激光稳定性较差、整套系统的机动性差、效率较低。
4.近些年来，基于金刚石晶体拉曼激光技术和高功率掺镱光纤激光技术发展的金刚石钠导星激光器，由于其激光输出功率高、脉冲重复频率和脉冲宽度设计灵活、激光系统能耗较低、结构相对简单、输出激光光束质量优越，已经引起广泛关注。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种微秒脉冲钠导星激光器系统，本发明在保证产生高亮度钠信标的同时，可大幅消除信标光斑拉长效应和大气瑞利散射噪声对波前探测器成像校正精度和信噪比的影响，而且为实现钠层层析探测的科研需求提供一种新颖且高效的技术手段，详
见下文描述：
6.一种微秒脉冲钠导星激光器系统，所述系统包括：1018nm脉冲光纤激光泵浦源和1178nm单频激光种子源，
7.所述1018nm脉冲光纤激光泵浦源，注入金刚石拉曼谐振倍频腔，通过金刚石晶体受激拉曼散射过程和倍频晶体的二次谐波转换产生589nm钠导星激光输出；
8.所述1178nm单频激光种子源经种子源调制模块注入所述金刚石拉曼谐振倍频腔中，通过锁腔模块实现谐振腔拉曼振荡频率与1178nm单频激光种子源频率实时锁定；
9.所述金刚石拉曼谐振倍频腔产生的589nm激光经输出激光调制模块调制激光线宽和偏振态后输出，所述金刚石晶体和倍频晶体通过温控模块实现晶体温度的调节和保持。
10.其中，所述1018nm脉冲光纤激光泵浦源包括：
11.1018nm连续波窄线宽种子源，其为低功率、连续波运转的窄线宽激光器；种子源调制模块用于为1018nm连续波窄线宽种子源的光谱线宽展宽，展宽范围约束在1-40ghz之间；
12.第一掺镱光纤激光放大器和第二掺镱光纤激光放大器分别由第一脉冲驱动电源和第二脉冲驱动电源供电，供电脉冲重复频率和脉冲宽度连续可调；第一脉冲驱动电源和第二脉冲驱动电源由时序控制单元控制供电时序，实现同步供电；
13.第一脉冲驱动电源、第二脉冲驱动电源和第三脉冲驱动电源，分别用于第一掺镱光纤激光放大器、第二掺镱光纤激光放大器和第三掺镱光纤激光放大器的激光二极管供电；
14.还包括：第三隔离滤波单元、第三掺镱光纤激光放大器、第三脉冲驱动电源；时序控制模块用于同时控制第一脉冲驱动电源、第二脉冲驱动电源和第三脉冲驱动电源的供电时序，控制不同驱动电源供电脉冲的开关顺序、供电脉冲之间的时间延迟。
15.进一步地，所述第一掺镱光纤激光放大器、第二掺镱光纤激光放大器和第三掺镱光纤激光放大器用于1018nm脉冲光纤激光的功率放大，采用的掺镱增益光纤为大纤芯包层比类型，纤芯包层比为20/130μm、25/250μm、30/250μm、32/260μm。
16.其中，所述第一隔离滤波单元、第二隔离滤波单元、第三隔离滤波单元，用于滤除1018nm脉冲光纤激光外的其它波长的光噪声，同时消除掺镱光纤激光放大器之间、掺镱光纤激光放大器与1018nm连续波窄线宽种子源之间的后向激光反馈。
17.进一步地，所述1178nm单频激光种子源的激光中心波长为1178.318nm，光谱宽度小于10mhz，波长调节范围
±
0.5nm。
18.其中，所述种子源调制模块包括：相位调制器和信号源，通过信号源控制相位调制器实现1178nm单频激光种子源的频率调制，信号源产生信号的调制频率为1.71ghz，且调制频率的强度可调节，信号源同时产生调制频率为几十mhz的信号，用作锁腔误差信号。
19.其中，所述金刚石拉曼谐振倍频腔包括：第一输入镜、输出镜、第一金刚石晶体、第一倍频晶体，
20.1018nm脉冲光纤激光和1178nm单频激光通过第一输入镜注入金刚石拉曼谐振倍频腔，1178nm单频激光作为种子激光在谐振腔内振荡，1018nm脉冲光纤激光作为泵浦激光，通过第一金刚石晶体的受激拉曼散射效应实现1178nm种子激光的脉冲振荡放大，再通过第一倍频晶体实现589nm脉冲激光输出。
21.进一步地，所述金刚石拉曼谐振倍频腔包括：第二输入镜、第一反射镜、第二金刚
石晶体、第二倍频晶体、第二反射镜，
22.1018nm脉冲光纤激光和1178nm单频激光通过第二输入镜注入金刚石拉曼谐振倍频腔，1178nm单频激光作为种子激光在谐振腔内振荡，1018nm脉冲光纤激光作为泵浦激光，通过第二金刚石晶体的受激拉曼散射效应实现1178nm种子激光的脉冲振荡放大，再通过腔内第二倍频晶体实现589nm脉冲激光输出。
23.其中，所述输出激光调制模块包括：空间光相位调制器、信号源、1/4波片，
24.产生的589nm激光通过信号源控制的空间光相位调制器实现589nm单频激光的光谱线宽调制，信号源调制频率范围满足10mhz-3ghz；1/4波片满足589nm激光相位延迟π/2，实现589nm激光由线偏振调制为圆偏振。
25.进一步地，所述锁腔模块用于将谐振腔金刚石拉曼振荡频率与1178nm单频激光种子源频率实时锁定，锁腔方法为pdh锁腔或hc锁腔。
26.本发明提供的技术方案的有益效果是：
27.1、本发明提供一种高功率、脉冲重复频率和脉冲宽度可调节的微秒脉冲589nm钠导星激光器，其脉冲重复频率100hz-10khz连续可调，脉冲宽度1μs-200μs连续可调，光谱线宽1mhz-3ghz连续可调，激光谱线同时匹配钠d2a和d2b吸收线，激光平均功率10-200w可调，激光偏振态为圆偏振；该激光器可大幅消除信标光斑拉长效应和大气瑞利散射噪声对波前探测器成像校正精度和信噪比的影响，满足大能量微秒脉冲钠导星激光光源在天文观测、空间目标追踪、星地通信等领域的重要应用需求，可用于钠层层析探测的科学研究；
28.2、本发明通过1178nm单频激光频率调制技术，结合单频激光种子注入谐振腔锁定技术，优化谐振腔设计，实现同时钠d2a和d2b线匹配的589.159nm和589.157nm激光输出，而且d2b线589.157nm激光强度比例可调节；
29.3、本发明通过输出激光调制模块，可将产生的589nm激光通过信号源控制的空间光相位调制器实现光谱线宽10mhz-3ghz的调制，可匹配整个钠原子吸收谱线宽度，同时还可以实现589nm激光由线偏振调制为圆偏振；
30.4、该微秒脉冲钠导星激光器系统，具有激光输出功率高、脉冲重复频率和脉冲宽度设计灵活、激光系统能耗较低、结构相对简单、输出激光光束质量好等优势；相比于固体和频钠导星激光器装置结构庞大复杂、激光稳定性差、效率低等缺点，本发明设计的系统具有能耗较低、结构相对简单、设备易集成、体积重量小等优势；
31.5、本发明弥补传统1064nm和1319nm固体和频微秒脉冲钠导星激光技术的短板，提供一种高功率、高重频的微秒脉冲589nm金刚石拉曼钠导星激光器。该激光器装置利用高功率、脉冲重复频率和脉宽可调的1018nm掺镱光纤激光器作为泵浦源，泵浦1178nm单频种子注入锁定的金刚石拉曼谐振倍频腔，通过金刚石晶体受激拉曼散射过程和倍频晶体的二次谐波转换产生高功率微秒脉冲589nm钠导星激光输出，其脉冲重复频率100hz-10khz连续可调，脉冲宽度1μs-200μs连续可调，光谱线宽1mhz-3ghz连续可调，激光谱线同时匹配钠d2a和d2b吸收线，激光平均功率10-200w可调，激光偏振态为圆偏振。
附图说明
32.图1为一种微秒脉冲钠导星激光器系统的结构示意图；
33.图2为1018nm脉冲光纤激光泵浦源结构示意图；
34.图3为第一种金刚石拉曼谐振倍频腔结构示意图；
35.图4为第二种金刚石拉曼谐振倍频腔结构示意图；
36.图5为种子源调制模块结构示意图；
37.图6为输出激光调制模块结构示意图。
38.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
39.1：1018nm脉冲光纤激光泵浦源；
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2：1178nm单频激光种子源；
40.3：金刚石拉曼谐振倍频腔；
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4：锁腔模块；
41.5：温控模块；
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6：种子源调制模块；
42.7：输出激光调制模块；
43.1-1：1018nm连续波窄线宽种子源；
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1-2：种子源调制单元；
44.1-3：第一隔离滤波单元；
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1-4：第一掺镱光纤激光放大器；
45.1-5：第二隔离滤波单元；
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1-6：第二掺镱光纤激光放大器；
46.1-7：第一脉冲驱动电源；
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1-8：第二脉冲驱动电源；
47.1-9：时序控制单元；
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1-10：第三隔离滤波单元；
48.1-11：第三掺镱光纤激光放大器；
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1-12：第三脉冲驱动电源；
49.3-1-1：第一输入镜；
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3-1-2：输出镜；
50.3-1-3：第一金刚石晶体；
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3-1-4：第一倍频晶体；
51.3-2-1：第二输入镜；
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3-2-2：第一反射镜；
52.3-2-3：第二金刚石晶体；
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3-2-4：第二倍频晶体；
53.3-2-5：第二反射镜；
54.6-1：相位调制器；
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6-2：第一信号源；
55.7-1：空间光相位调制器；
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7-2：第二信号源；
56.7-3：1/4波片。
具体实施方式
57.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
58.一种微秒脉冲钠导星激光器系统，参见图1，该系统的构成包括：1018nm脉冲光纤激光泵浦源1、1178nm单频激光种子源2、金刚石拉曼谐振倍频腔3、锁腔模块4、温控模块5、种子源调制模块6、输出激光调制模块7。
59.1018nm脉冲光纤激光泵浦源1，注入金刚石拉曼谐振倍频腔3，通过金刚石晶体受激拉曼散射过程和倍频晶体的二次谐波转换产生589nm钠导星激光输出；1178nm单频激光种子源2，经种子源调制模块6注入金刚石拉曼谐振倍频腔3中，通过锁腔模块4实现谐振腔拉曼振荡频率与1178nm单频激光种子源频率实时锁定，由金刚石拉曼谐振倍频腔3产生的589nm激光经输出激光调制模块7调制激光线宽和偏振态后输出，金刚石晶体和倍频晶体通过温控模块5实现晶体温度的调节和保持。
60.图2是本发明实施例提供的1018nm脉冲光纤激光泵浦源1的结构示意图，包括：依次连接的1018nm连续波窄线宽种子源1-1、种子源调制单元1-2、第一隔离滤波单元1-3、第一掺镱光纤激光放大器1-4、第二隔离滤波单元1-5、第二掺镱光纤激光放大器1-6。
61.其中，第一掺镱光纤激光放大器1-4和第二掺镱光纤激光放大器1-6分别由第一脉冲驱动电源1-7和第二脉冲驱动电源1-8给激光二极管供电，供电脉冲重复频率和脉冲宽度连续可调；第一脉冲驱动电源1-7和第二脉冲驱动电源1-8由时序控制单元1-9控制供电时序，实现同步供电；根据1018nm脉冲光纤激光泵浦源1总功率增加的需求，可增加第三隔离滤波单元1-10、第三掺镱光纤激光放大器1-11、第三脉冲驱动电源1-12，其中第三脉冲驱动电源1-12同时由时序控制单元1-9控制供电时序。
62.1018nm连续波窄线宽种子源1-1，其为低功率、连续波运转的窄线宽激光器，光谱线宽一般小于10mhz，功率一般小于100mw；种子源调制单元1-2用于对1018nm连续波窄线宽种子源1-1的光谱线宽展宽，展宽范围约束在1-40ghz之间；第一掺镱光纤激光放大器1-4、第二掺镱光纤激光放大器1-6和第三掺镱光纤激光放大器1-11用于1018nm脉冲光纤激光的功率放大，其采用的掺镱增益光纤为大纤芯包层比类型，一般纤芯包层比为20/130μm、25/250μm、30/250μm、32/260μm。
63.第一隔离滤波单元1-3、第二隔离滤波单元1-5、第三隔离滤波单元1-10，用于滤除1018nm脉冲光纤激光外的其它波长的光噪声，同时消除掺镱光纤激光放大器之间、掺镱光纤激光放大器与1018nm连续波窄线宽种子源之间的后向激光反馈，保护1018nm脉冲光纤激光泵浦源的安全运行。
64.第一脉冲驱动电源1-7、第二脉冲驱动电源1-8和第三脉冲驱动电源1-12，分别用于第一掺镱光纤激光放大器1-4、第二掺镱光纤激光放大器1-6和第三掺镱光纤激光放大器1-11的激光二极管供电，供电脉冲形状可编辑为任意波形，供电脉冲满足重复频率100hz-10khz连续可调，脉冲半高全宽1μs-200μs连续可调。时序控制模块1-9用于同时控制第一脉冲驱动电源1-7、第二脉冲驱动电源1-8和第三脉冲驱动电源1-12的供电时序，控制不同驱动电源供电脉冲的开关顺序、供电脉冲之间的时间延迟。
65.图3是本发明实施例提供的第一种金刚石拉曼谐振倍频腔3的结构示意图，包括：第一输入镜3-1-1、输出镜3-1-2、第一金刚石晶体3-1-3、第一倍频晶体3-1-4，1018nm脉冲光纤激光和1178nm单频激光通过第一输入镜3-1-1注入金刚石拉曼谐振倍频腔3，1178nm单频激光作为种子激光在谐振腔内振荡，1018nm脉冲光纤激光作为泵浦激光，通过第一金刚石晶体3-1-3的受激拉曼散射效应实现1178nm种子激光的脉冲振荡放大，再通过第一倍频晶体3-1-4实现589nm脉冲激光输出。
66.第一输入镜的镀膜要求1018nm高透射(透射率大于99％)、1178nm高反射(反射率大于99.9％)、589nm高反射(反射率大于99％)、1398nm高透射(透射率大于99％)；输出镜3-1-2的镀膜要求1018nm高反射(反射率大于99％)、1178nm高反射(反射率大于99.9％)、589nm高透射(透射率大于99％)、1398nm高透射(透射率大于99％)，产生的589nm激光经输出镜3-1-2输出；第一金刚石晶体3-1-3其为化学气相沉积法或高温高压法生长的单晶金刚石晶体，其氮含量小于40ppb，晶体双折射小于10-5
，第一金刚石晶体3-1-3的通光方向为晶体《110》轴，晶体表面镀膜要求1018nm高透射(透射率大于99％)、1178nm高透射(透射率大于99.9％)、589nm高透射(透射率大于99％)，第一金刚石晶体3-1-3的中心位于金刚石拉曼谐振倍频腔3中1178nm激光振荡横模束腰位置。
67.第一倍频晶体3-1-4的晶体倍频为一类相位匹配方式，晶体切割角度和温度控制须满足1178nm激光波长倍频到589nm激光波长所需的最佳相位匹配，倍频晶体一般为lbo、
bbo，晶体表面镀膜要求1018nm高透射(透射率大于99％)、1178nm高透射(透射率大于99.9％)、589nm高透射(透射率大于99％)；金刚石拉曼谐振倍频腔3的自由光谱范围为1.71ghz，或者谐振腔的自由光谱范围的整数倍为1.71ghz。
68.图4是本发明实施例提供的第二种金刚石拉曼谐振倍频腔3的结构示意图，包括：第二输入镜3-2-1、第一反射镜3-2-2、第二金刚石晶体3-2-3、第二倍频晶体3-2-4、第二反射镜3-2-5，1018nm脉冲光纤激光和1178nm单频激光通过第二输入镜3-2-1注入金刚石拉曼谐振倍频腔3，1178nm单频激光作为种子激光在谐振腔内振荡，1018nm脉冲光纤激光作为泵浦激光，通过第二金刚石晶体3-2-3的受激拉曼散射效应实现1178nm种子激光的脉冲振荡放大，再通过腔内第二倍频晶体3-2-4实现589nm脉冲激光输出；第二输入镜3-2-1的入射面与入射的1018nm、1178nm激光通光方向成一定角度，角度介于75-85度之间，输入镜镀膜要求1018nm高透射(透射率大于99％)、1178nm高反射(反射率大于99.9％)、589nm高透射(透射率大于99％)、1398nm高透射(透射率大于99％)，产生的589nm激光由第二输入镜3-2-1输出；第一反射镜3-2-2的镀膜要求1018nm高反射(反射率大于99％)、1178nm高反射(反射率大于99.9％)、1398nm高透射(透射率大于99％)；第二反射镜3-2-5的镀膜要求589nm高反射(反射率大于99％)、1178nm高反射(反射率大于99.9％)、1398nm高透射(透射率大于99％)；第二金刚石晶体3-2-3为化学气相沉积法或高温高压法生长的单晶金刚石晶体，其氮含量小于40ppb，晶体双折射小于10-5
，第二金刚石晶体3-2-3通光方向为晶体《110》轴，晶体表面镀膜要求1018nm高透射(透射率大于99％)、1178nm高透射(透射率大于99.9％)、589nm高透射(透射率大于99％)，第二金刚石晶体3-2-3的中心位于金刚石拉曼谐振倍频腔3中1178nm激光振荡横模最小束腰位置；第二倍频晶体3-2-4的晶体倍频为一类相位匹配方式，晶体切割角度和温度控制须满足1178nm激光波长倍频到589nm激光波长所需的最佳相位匹配，倍频晶体一般为lbo、bbo，晶体表面镀膜要求1018nm高透射(透射率大于99％)、1178nm高透射(透射率大于99.9％)、589nm高透射(透射率大于99％)，第二倍频晶体3-2-4的中心位于金刚石拉曼谐振倍频腔3中1178nm激光振荡横模其它束腰位置；金刚石拉曼谐振倍频腔3的自由光谱范围为1.71ghz，或者谐振腔的自由光谱范围的整数倍为1.71ghz。
69.其中，上述的1178nm单频激光种子源的激光中心波长为1178.318nm，光谱宽度一般小于10mhz，波长调节范围
±
0.5nm。
70.锁腔模块4，用于将谐振腔金刚石拉曼振荡频率与1178nm单频激光种子源频率实时锁定，锁腔方法一般为pdh锁腔或hc锁腔。
71.温控模块5，用于稳定金刚石晶体和倍频晶体的温度，温度调节范围10-60℃，温度调节精度《0.1℃。
72.图5是本发明实施例提供的种子源调制模块6的结构示意图，包括：相位调制器6-1和信号源6-2，通过信号源6-2控制相位调制器6-1实现1178nm单频激光种子源2的频率调制，为满足同时产生钠d2a和d2b线匹配的589.159nm和589.157nm激光，信号源6-2需产生信号的调制频率为1.71ghz，且调制频率的强度可调节，信号源6-2同时产生调制频率为几十mhz的信号，用作锁腔误差信号。
73.图6是本发明实施例提供的输出激光调制模块7的结构示意图，包括：空间光相位调制器7-1、信号源7-2、1/4波片7-3，产生的589nm激光通过信号源7-2控制的空间光相位调制器7-1实现589nm单频激光的光谱线宽调制，信号源7-2调制频率范围需满足10mhz-3ghz；
1/4波片7-3满足589nm激光相位延迟π/2，实现589nm激光由线偏振调制为圆偏振。
74.本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
75.本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
76.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。