单频双波长双脉冲光参量振荡激光器

1.本发明涉及脉冲光学参量振荡激光器，特别是一种单频双波长双脉冲光参量振荡激光器。
技术背景
2.机载、星载积分路径差分吸收雷达系统是测量大气中水汽、二氧化碳、甲烷等污染气体的一种有效的遥感装置，是当前地球碳循环研究热点。雷达中最重要的就是单频脉冲激光源，既要求高脉冲能量，又要求高频率稳定性，同时需要多波长输出。因此发明性能可靠的多波长单频脉冲激光器具有现实意义。
3.当前激光差分吸收雷达用激光器是研究热点，种子注入单频单脉冲光参量振荡器在实施过程中，会遇到以下问题。
4.其一，要将种子激光注入至谐振腔，微调四腔镜使得种子在谐振腔内多次传输，并用种子经谐振腔透射的激光干涉信号的精细程度去表征谐振腔调试完成；之后，置入非线性晶体，并进行角度调节，以满足脉冲输出光谱中心波长的要求。由于置入晶体的个体差异性，可能引起上述种子激光的透射干涉信号发生变化，这时不能再去调节腔镜。
5.其二，为了实现参量光脉冲的高输出频率稳定性，即激光脉冲频率值抖动～1mhz 量级，要求频率控制组件产生小的步长去调节腔长，需要高精度的控制组件，以及对pzt驱动电路的纹波进行控制，这对电子学的长期可靠运行带来挑战。
6.其三，之前的方法只能实现单波长的光学参量振荡激光输出，对于单频双波长双脉冲光参量振荡器的第二个种子激光频率如何选择，输出脉冲频率需要采用新型方法进行控制。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种单频双波长双脉冲光学参量振荡激光器，该激光器的光校简单，对稳频组件降低精度要求的同时保证高可靠性，同时给出了第二种子激光频率选择的依据和第二个脉冲激光稳频的方法。
8.本发明技术解决方案是：
9.一种单频双波长双脉冲光学参量振荡激光器，特点在于包括单频种子激光器、高稳定性光学参量振荡器谐振腔、频率控制组件和单频双脉冲串泵浦源四部分：
10.所述的单频种子激光器包括：第一种子激光器和第二种子激光器、磁光开关、保偏光纤分束器、准直镜、隔离器、聚焦镜、第一半波片和双色镜，所述的第一种子激光器的输出端与所述的保偏光纤分束器的输入端相连，所述的保偏光纤分束器对所述的第一种子激光器输出的激光进行分束，所述的保偏光纤分束器的第一输出端与所述的磁光开关的第一输入端相连，所述的第二种子激光器输出端与所述的磁光开关的第二输入端相连，所述的磁光开关的输出端输出种子激光依次经所述的准直镜、隔离器、聚焦镜、第一半波片和双色镜后进入所述的高稳定性光学参量振荡器谐振腔；
11.所述的高稳定性光学参量振荡器谐振腔包括高稳定性谐振腔壳体、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、补偿片、非线性晶体、热电制冷片、压电陶瓷片和第一光电探测器及腔外45
°
反射镜，在所述的高稳定性谐振腔壳体内有四个腔镜，沿所述的双色镜透射的种子激光传输方向依次是所述的第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜，最后再经第一腔镜及腔外45
°
反射镜输出，在所述的第一腔镜和第二腔镜之间的光路上有所述的非线性晶体并置于所述的热电制冷片中，所述的第三腔镜紧固在所述的压电陶瓷片上，所述的第三腔镜和第四腔镜之间设置所述的补偿片，在所述的第四腔镜的光路延长线上设置所述的第一光电探测器；
12.所述的频率控制组件由依次的第二半波片、耦合镜、声光调制器、保偏光纤耦合器、第二光电探测器、数据采集处理单元、数模转换组件和压电陶瓷驱动电路构成；所述的第二半波片位于所述的腔外45
°
反射镜的透射方向，所述的保偏光纤耦合器的第二输入端与所述的光纤分束器的第二输出端相连；所述的保偏光纤耦合器的输出端与所述的第二光电探测器的输入端相连，所述的第二光电探测器的输出端与所述的数据采集处理单元的第一输入端相连；该数据采集处理单元的输出端经所述的数模转换组件与所述的压电陶瓷驱动电路相连，该压电陶瓷驱动电路的输出端与所述的压电陶瓷片相连；
13.所述的单频双脉冲串泵浦源包括单频脉冲串激光器及其电子控制器、第三半波片和缩束镜组，所述的单频脉冲串激光器输出固定重复频率的双脉冲串的泵浦激光依次经所述的第三半波片、缩束镜组由所述的双色镜反射进入所述的高稳定性光学参量振荡器谐振腔，所述的电子控制器的输出端与所述的磁光开关的控制端相连，为所述的磁光开关提供时序控制信号，以确定第一种子激光器与第二种子激光器波长的切换时刻，所述的电子控制器的输出端还与所述的数据采集处理单元第二输入端相连，给所述的数据采集处理单元提供触发信号；
14.所述的频率控制组件的控制下，在每一个工作周期起始点，所述的磁光开光接收到触发信号后，使所述的第一波长种子激光器输出的激光经过所述的磁光开光注入所述的高稳定光学参量振荡器谐振腔，并给所述的压电陶瓷片施加初始电压，当所述的单频脉冲串激光器输出的单频双脉冲串的泵浦激光经所述的双色镜输入所述的高稳定性光学参量振荡器谐振腔，所述的高稳定性光学参量振荡器谐振腔得到参量振荡脉冲串激光经所述的第二半波片和耦合镜输出自由空间激光，所述的耦合镜将自由空间激光耦合进入保偏光纤，再经所述的声光调制器和保偏光纤耦合器，在该保偏光纤耦合器，所述的参量光脉冲串中的第一个脉冲与光纤分束器输出的第一波长种子激光的另一部分进行拍频，记为拍频信号1；而在参量光脉冲串的第一脉冲与第二个脉冲之间，所述的磁光开光接收到单频双脉冲串激光电子学提供的触发信号时，所述的磁光开光的激光切换为第二波长种子激光并注入所述的高稳定性光学参量振荡器谐振腔，得到参量光脉冲串中的第二个脉冲；所述的拍频信号1由所述的数据采集处理单元采集、处理得到的拍频信号频率值，与基准调制频率作差比较，该差值经数模转换组件得到对应的谐振腔长调谐量，经所述的压电陶瓷驱动电路给所述的压电陶瓷片施加相应的电压，对谐振腔长进行调谐，最终是满足所述的光参量振荡器第一个脉冲频率锁定在第一种子激光的频率上；在第一个脉冲出光之后，所述的压电陶瓷驱动电路电压保持不变，直至第二个脉冲到来，由第二种子激光的频率控制第二脉冲波长。
15.所述的第一种子激光器和第二种子激光器的所覆盖波段包含但不限于2μm、 1.57μm、1.64μm、0.97μm和0.94μm，且第二种子激光器与第一种子激光器的波长差为所述的光学参量振荡器谐振腔的自由光谱范围的整数倍。
16.所述的单频脉冲串激光器输出的泵浦脉冲串为单一波长双脉冲串，脉冲串中脉冲之间的间隔，根据需要由所述的电子控制器在一定范围调节；所述的种子激光构成的参量光脉冲串为双波长的脉冲串，其波长分别与第一种子激光器、第二种子激光器一致，脉冲间隔同泵浦脉冲串的间隔一致。
17.所述的高稳定性光学参量振荡器谐振腔壳体是一体化结构加工而成，所述的第一腔镜和第二腔镜直接固定在壳体的竖直壁上，所述的第三腔镜、第四腔镜通过转接件固定于高稳定性谐振腔壳体的竖直壁上，非线性晶体置于热沉金属块中，温度可调谐，该金属块固定于谐振腔壳体的底板上，补偿镜经转接件固定与谐振腔壳体的底板上。
18.本发明的工作原理：
19.一种高频率稳定性单频双波长双脉冲光参量振荡激光器，是由单频双脉冲串泵浦源，双波长种子切换注入，并结合外差拍频法稳频技术对输出脉冲频率分别进行控制实现的单频双波长、双脉冲光参量振荡激光器。依据激光频率经谐振腔透射强度原理，所选择的两个注入种子的波长差需为该谐振腔对应一个自由光谱范围的整数倍。一旦第一种子激光频率确定，第二种子激光频率将与谐振腔腔长及其精细度相关。基于一体化谐振腔的高稳定性，这里仅需对第一波长脉冲进行锁频控制；第一脉冲输出后，压电陶瓷驱动电路在第一波长脉冲后直至第二波长脉冲经过时段，电压保持不变，从而保持光参量振荡器的谐振腔长不变，而两个脉冲之间时段，控制信号使得磁光开关切换将第二个波长种子激光进入谐振腔，对第二个脉冲的频率进行锁定控制。
20.本发明与现有技术相比具有以下优点：
21.1、利用双波长种子注入得到单频双波长双脉冲激光，双波长根据需要可以在大范围内调节。
22.2、置入补偿片，使得谐振腔的光装流程得到改进。
23.3、给出了多波长脉冲所需种子源的波长差与光学参量振荡器谐振腔长的关系，确保获得稳定的多波长多脉冲输出，同时基于一体化光参量振荡器谐振腔的高稳定性，提供了第二脉冲频率控制的方法。
24.4、实验表明，本发明具有窄线宽、高频率稳定性、双波长双脉冲单频输出、波长可拓展、抗干扰能力强、稳定可靠的特点，可进一步光学参量放大提升脉冲能量，可用于大气成份探测激光雷达激光光源，可满足机载、星载等复杂环境应用需求。
附图说明
25.图1是本发明高频率稳定性单频双波长双脉冲光参量振荡激光器的结构框图；
26.图2是本发明多波长窄线宽脉冲激光器中泵浦激光与参量激光脉冲时序及波长示意图。
具体实施方式
27.下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范
围。
28.如图1所示，图1是本发明高频率稳定性双波长双脉冲光参量振荡激光器的结构框图，由图可见，本发明双波长双脉冲光学参量振荡激光器，包括单频种子激光器1、高稳定性光学参量振荡器谐振腔2、频率控制组件3和单频双脉冲串泵浦源4 四部分：
29.所述的单频种子激光器1包括：第一种子激光器101和第二种子激光器102、磁光开关103、保偏光纤分束器104、准直镜105、隔离器106、聚焦镜107、第一半波片108和双色镜109，所述的第一种子激光器101的输出端与所述的保偏光纤分束器104的输入端相连，所述的保偏光纤分束器104对所述的第一种子激光器101 输出的激光进行分束，所述的保偏光纤分束器104的第一输出端与所述的磁光开关 103的第一输入端相连，所述的第二种子激光器102输出端与所述的磁光开关103 的第二输入端相连，所述的磁光开关103的输出端输出的种子激光依次经所述的准直镜105、隔离器106、聚焦镜107、第一半波片108和双色镜109后进入所述的高稳定性光学参量振荡器谐振腔2；
30.所述的高稳定性光学参量振荡器谐振腔2包括高稳定性谐振腔壳体200、第一腔镜201、第二腔镜202、第三腔镜203、第四腔镜204、补偿片205)、非线性晶体206、热电制冷片207、压电陶瓷片2010和第一光电探测器2011及腔外45
°
反射镜2012，在所述的高稳定性谐振腔壳体200内有四个腔镜，沿所述的双色镜109透射的种子激光传输方向依次是所述的第一腔镜201、第二腔镜202、第三腔镜203和第四腔镜204，最后再经第一腔镜201及腔外45
°
反射镜2012输出，在所述的第一腔镜201和第二腔镜202之间的光路上有所述的非线性晶体206及其热电制冷片207，所述的第三腔镜203紧固在所述的压电陶瓷片2010上，所述的第三腔镜203和第四腔镜204之间设置所述的补偿片205，在所述的第四腔镜204的光路延长线上设置所述的第一光电探测器2011；
31.所述的频率控制组件3由依次的第二半波片301、耦合镜302、保偏光纤耦合声光调制器303、保偏光纤耦合器304、第二光电探测器305、数据采集处理单元306、数模转换组件307和压电陶瓷驱动电路308构成；所述的第二半波片301位于所述的腔外45
°
反射镜2012的透射方向，所述的保偏光纤耦合器304的第二输入端与所述的光纤分束器104的第二输出端相连；所述的保偏光纤耦合器304的输出端与所述的第二光电探测器305的输入端相连，所述的第二光电探测器305的输出端与所述的数据采集处理单元306的第一输入端相连；该数据采集处理单元306的输出端经所述的数模转换组件307与所述的压电陶瓷驱动电路308相连，该压电陶瓷驱动电路308的输出端与所述的压电陶瓷片2010相连；
32.所述的单频双脉冲串泵浦源4包括单频脉冲串激光器及其供电电子控制器401、第三半波片402和缩束镜组403，所述的单频脉冲串激光器输出固定重复频率的双脉冲串的泵浦激光依次经所述的第三半波片402、缩束镜组403后，由所述的双色镜109反射进入所述的高稳定性光学参量振荡器谐振腔2，所述的供电电子控制器的输出端与所述的磁光开关103的控制端相连，为所述的磁光开关103提供时序控制信号，明确第一种子激光器101与第二种子激光器102的切换时刻，所述的供电电子控制器的输出端还与所述的数据采集处理单元306第二输入端相连，给所述的数据采集处理单元306提供触发信号；
33.所述的频率控制组件3的控制下，在每一个工作周期起始点，所述的磁光开光 103接收到触发信号后，使所述的第一波长种子激光器101输出的激光经过所述的磁光开光103注入所述的高稳定光学参量振荡器谐振腔2，并给所述的压电陶瓷片 2010施加初始电压，
当所述的单频脉冲串激光器输出的单频双脉冲串的泵浦激光经所述的双色镜109输入所述的高稳定性光学参量振荡器谐振腔2，所述的高稳定性光学参量振荡器谐振腔2得到参量振荡脉冲串激光经所述的第二半波片301和耦合镜302输出自由空间激光，所述的耦合镜302将自由空间激光耦合进入保偏光纤，再经所述的声光调制器303和保偏光纤耦合器304，在该保偏光纤耦合器304，所述的参量光脉冲串中的第一个脉冲与光纤分束器104输出的第一波长种子激光101的另一部分进行拍频，记为拍频信号1；而在参量光脉冲串的第一脉冲与第二个脉冲之间，所述的磁光开光103接收到单频双脉冲串激光电子控制器提供的触发信号时，所述的磁光开光103的激光切换为第二波长种子激光器102并注入所述的高稳定性光学参量振荡器谐振腔2，得到参量光脉冲串中的第二个脉冲；
34.所述的拍频信号1由所述的数据采集处理单元306采集、处理得到的拍频信号频率值，与基准调制频率作差比较，该差值经数模转换组件307得到对应的谐振腔长调谐量，经所述的压电陶瓷驱动电路308给所述的压电陶瓷片2010施加相应的电压，对谐振腔长进行调谐，最终使满足所述的光参量振荡器第一个脉冲频率锁定在第一种子激光器101的频率上；在第一个脉冲出光之后，所述的压电陶瓷驱动电路 308电压保持不变，直至第二个脉冲到来，由第二种子激光器102的频率控制第二脉冲波长。
35.实施例
36.所述的单频种子激光器1包括第一种子激光器101和第二波长种子激光器102 的两个单频种子激光波长分别为1572.024nm和1572.085nm，谐振腔2为殷钢材料，非线性晶体206为临界切割的kta晶体，补偿片205为熔石英玻璃。所述的频率控制组件3中光纤均为保偏1550nm光纤，声光调制器303移频400mhz，第二光电探测器305的带宽为5ghz，数据采集卡带宽1ghz。
37.单频nd:yag双脉冲串泵浦源示意图如图2所示，重复频率～100hz，双脉冲间隔～200μs，单脉冲能量～9mj。同时，图2给出了双波长双脉冲输出示意图，双波长的脉冲能量～2mj，第一个脉冲波长为1572.024nm，频率稳定性rms～0.3mhz，第二个脉冲波长为1572.085nm，频率稳定性rms～0.3mhz，两个脉冲波长间隔～200μs，由泵浦源决定，可以在一定范围调节。
38.实验表明，本发明具有窄线宽、高频率稳定性、双波长双脉冲单频输出、波长可拓展、抗干扰能力强、稳定可靠的特点，可进一步光学参量放大提升脉冲能量，可用于大气成份探测激光雷达激光光源，可满足机载、星载等复杂环境应用需求。