一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器的制造方法
【專利摘要】一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，涉及雷達的光源系統領域。本發明是為了解決現有2μm固體激光器輸出激光透過率和轉換效率低，且設備體積大的問題。本發明所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，選用LD泵浦的Tm,Ho:YAG激光器作為種子光源，光纖激光器泵浦的單摻Ho:YAG激光器作為振蕩器，得到了單頻脈沖2.09μm激光輸出；同時本發明運用種子激光注入鎖定技術，在調Q重復頻率為100Hz時，獲得單脈沖能量達到7.6mJ的2090.9nm單頻脈沖激光輸出；并且本發明全部采用固態器件，得到了全固態的激光器。本發明能夠為差分吸收激光雷達和相干多普勒測風雷達提供適合的光源。
【專利說明】一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器
【技術領域】
[0001]本發明屬于雷達的光源系統領域。
【背景技術】
[0002]差分吸收激光雷達和相干多普勒測風雷達是實時測量氣體成分和大氣風場的有力工具，憑借較高的大氣傳輸透過率，2 μ m種子注入單頻脈沖固體激光器是上述激光雷達的高性能激光發射源。根據大氣透過率譜，相同功率下波長越長的2 μ m激光的傳輸距離越遠，越有利于增大激光雷達的測量距離。激光二極管，LD，直接泵浦的2 μ m固體激光裝置具有結構緊湊、性能穩定及易于維護等的優點，非常適合于實際應用。LD泵浦的Tm\Ho摻雜材料是實現2 μ m輸出的有效途徑，主要有:(I) 800nm左右LD泵浦單摻Tm材料；(2) 1.9 μ m左右LD泵浦單摻Ho材料；(3) 800nm左右LD泵浦Tm，Ho雙摻材料。方法(I)由于其增益峰集中在1.9 μ m左右，難以得到大氣透過率更高的2.1 μ m波長激光；方法⑵可以實現2.1ym波長激光輸出，但是目前的1.9 μ m左右LD制作工藝不成熟，導致整個裝置轉換效率低、廢熱量大；方法(3)通常要使用低溫制冷設備才能有效運轉，不方便實際應用。

【發明內容】

[0003]本發明是為了解決現有2μπι固體激光器輸出激光透過率和轉換效率低的問題，現提供一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器。
[0004]一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，它包括:Tm，HckYAG種子激光器、Ho:YAG脈沖激光器和注入鎖頻伺服系統；
[0005]所述Tm，Ho: YAG種子激光器包括:第一全反鏡、Tm，HoiYAG晶體、起偏元件、第一波長調諧元件、第二波長調諧元件、輸出耦合鏡和激光二極管；
[0006]所述Ho: YAG脈沖激光器包括:2μηι輸出稱合鏡、第一 2 μ m全反鏡、Ho: YAG晶體、第二 2 μ m全反鏡、第三2 μ m全反鏡、聲光調Q晶體和光纖激光器；
[0007]激光二極管發出的LD泵浦光依次經過第一全反鏡、Tm, HoiYAG晶體、起偏元件、第一波長調諧元件、第二波長調諧元件和輸出耦合鏡透射出Tm，HckYAG種子激光器，Tm, Ho: YAG種子激光器輸出的激光作為種子激光；
[0008]2 μ m輸出I禹合鏡13、第一 2 μ m全反鏡14、Ho: YAG晶體15、第二 2 μ m全反鏡16、第三2 μ m全反鏡17和聲光調Q晶體18構成了一個環形腔，2 μ m輸出耦合鏡將其接收到的種子激光透射到第一 2 μ m全反鏡上，第一 2 μ m全反鏡將該種子激光反射到Ho = YAG晶體的一端，光纖激光器發出的泵浦光透過第一 2 μ m全反鏡入射到HckYAG晶體的一端，Ho:YAG晶體的另一端輸出的激勵光經過第二 2 μ m全反鏡透射出Ho: YAG脈沖激光器，Ho: YAG晶體的另一端輸出的種子激光入射到第二 2 μ m全反鏡上，第二 2 μ m全反鏡將該種子激光反射到第三2 μ m全反鏡上，第三2 μ m全反鏡將該種子激光分束為反射光和透射光，該反射光入射到聲光調Q晶體中，該透射光經第三2 μ m全反鏡透射出Ho: YAG脈沖激光器，聲光調Q晶體輸出的單頻脈沖激光經過2 μ m輸出耦合鏡透射出Ho: YAG脈沖激光器；[0009]注入鎖頻伺服系統的驅動端用于驅動第三2 μ m全反鏡對其接收到的種子激光進行諧振掃描，注入鎖頻伺服系統的控制信號輸出端連接聲光調Q晶體的控制信號輸入端。
[0010]它還包括:耦合系統，所述耦合系統包括:變換透鏡、二分之一波片、光學隔離元件、第二全反鏡、第三全反鏡和變換透鏡；
[0011]變換透鏡將其接收到的種子激光依次通過二分之一波片和光學隔離元件透射到第二全反鏡上，第二全反鏡將該種子激光反射到第三全反鏡上，第三全反鏡將該種子激光反射到變換透鏡上，變換透鏡將該種子激光透射出耦合系統。
[0012]所述注入鎖頻伺服系統包括:壓電陶瓷、紅外探測器和電學伺服系統；
[0013]壓電陶瓷的驅動端作為注入鎖頻伺服系統的驅動端，壓電陶瓷的驅動信號輸入端連接電學伺服系統的驅動信號輸出端，紅外探測器用于探測第三2 μ m全反鏡透射出的種子激光的諧振強度，紅外探測器的電信號輸出端連接電學伺服系統的電信號輸入端，電學伺服系統的控制信號輸出端作為注入鎖頻伺服系統的控制信號輸出端。
[0014]本發明所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，選用LD泵浦的Tm, HoiYAG激光器作為種子光源，選用光纖激光器泵浦的單摻HckYAG激光器作為振蕩器，得到了雷達系統所需要的單頻脈沖2.09 μ m激光輸出；同時本發明運用種子激光注入鎖定技術，在調Q重復頻率為IOOHz時，獲得單脈沖能量達到7.6mJ的2090.9nm單頻脈沖激光輸出，激光線寬為3.5MHz，脈沖寬度為132ns ;并且本發明全部采用固態器件，得到了全固態的激光器。本發明所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器能夠為差分吸收激光雷達和相干多普勒測風雷達提供適合的光源。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]【具體實施方式】一:參照圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，它包括:Tm，Ho: YAG種子激光器、Ho: YAG脈沖激光器和注入鎖頻伺服系統；
[0017]所述Tm，Ho: YAG種子激光器包括:第一全反鏡1、Tm, Ho: YAG晶體2、起偏元件3、第一波長調諧元件4、第二波長調諧元件5、輸出耦合鏡6和激光二極管22 ；
[0018]所述Ho: YAG脈沖激光器包括:2μπι輸出耦合鏡13、第一 2μπι全反鏡14、Ho: YAG晶體15、第二 2 μ m全反鏡16、第三2 μ m全反鏡17、聲光調Q晶體18和光纖激光器23 ；
[0019]激光二極管22發出的LD泵浦光依次經過第一全反鏡1、Tm, HoiYAG晶體2、起偏元件3、第一波長調諧元件4、第二波長調諧元件5和輸出耦合鏡6透射出Tm，HoiYAG種子激光器，Tm, HoiYAG種子激光器輸出的激光作為種子激光；
[0020]2 μ m輸出f禹合鏡13、第一 2 μ m全反鏡14、Ho:YAG晶體15、第二 2 μ m全反鏡16、第三2 μ m全反鏡17和聲光調Q晶體18構成了一個環形腔，2 μ m輸出耦合鏡13將其接收到的種子激光透射到第一 2 μ m全反鏡14上，第一 2 μ m全反鏡14將該種子激光反射到HckYAG晶體15的一端,光纖激光器23發出的泵浦光透過第一 2 μ m全反鏡14入射到Ho:YAG晶體15的一端，Ho:YAG晶體15的另一端輸出的激勵光經過第二 2 μ m全反鏡16透射出HckYAG脈沖激光器，Ho:YAG晶體15的另一端輸出的種子激光入射到第二 2 μ m全反鏡16上，第二2 μ m全反鏡16將該種子激光反射到第三2 μ m全反鏡17上，第三2 μ m全反鏡17將該種子激光分束為反射光和透射光，該反射光入射到聲光調Q晶體18中，該透射光經第三2 μ m全反鏡17透射出Ho:YAG脈沖激光器，聲光調Q晶體18輸出的單頻脈沖激光經過2 μ m輸出耦合鏡13透射出HckYAG脈沖激光器；
[0021]注入鎖頻伺服系統的驅動端用于驅動第三2 μ m全反鏡17對其接收到的種子激光進行諧振掃描，注入鎖頻伺服系統的控制信號輸出端連接聲光調Q晶體18的控制信號輸入端。
[0022]起偏元件3能夠保證Tm，HoiYAG種子激光器輸出的種子激光為線偏振激光；第一波長調諧元件4和第二波長調諧元件5能夠限制Tm，Ho: YAG種子激光器輸出的種子激光為單縱模激光。
[0023]【具體實施方式】二:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器作進一步說明，本實施方式中，它還包括:耦合系統，所述耦合系統包括:變換透鏡7、二分之一波片8、光學隔離元件9、第二全反鏡10、第三全反鏡11和變換透鏡12 ；
[0024]變換透鏡7將其接收到的種子激光依次通過二分之一波片8和光學隔離元件9透射到第二全反鏡10上，第二全反鏡10將該種子激光反射到第三全反鏡11上，第三全反鏡11將該種子激光反射到變換透鏡12上，變換透鏡12將該種子激光透射出耦合系統。
[0025]【具體實施方式】三:本實施方式是對【具體實施方式】一所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器作進一步說明，本實施方式中，所述注入鎖頻伺服系統包括:壓電陶瓷19、紅外探測器20和電學伺服系統21 ；
[0026]壓電陶瓷19的驅動端作為注入鎖頻伺服系統的驅動端，壓電陶瓷19的驅動信號輸入端連接電學伺服系統21的驅動信號輸出端，紅外探測器20用于探測第三2 μ m全反鏡17透射出的種子激光的諧振強度，紅外探測器20的電信號輸出端連接電學伺服系統21的電信號輸入端，電學伺服系統21的控制信號輸出端作為注入鎖頻伺服系統的控制信號輸出端。
[0027]紅外探測器20將其探測到的種子激光諧振強度轉換為電信號，并將該電信號發送給電學伺服系統21，電學伺服系統21將該電信號進行放大和整形，然后向聲光調Q晶體18發送控制信號，實現HckYAG單頻脈沖激光振蕩。
[0028]【具體實施方式】四:本實施方式是對【具體實施方式】二所述的一種脈沖單頻運轉的
2.09微米固體激光器作進一步說明，本實施方式中，第一全反鏡I的入射面、Tm, HoiYAG晶體2的兩面、第二全反鏡10的反射面和第三全反鏡11的反射面均鍍有對LD泵浦光透過率大于99.5%且振蕩光反射率大于99.7%的介質膜。
[0029]【具體實施方式】五:本實施方式是對【具體實施方式】一、二或三所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器作進一步說明，本實施方式中，2 μ m輸出I禹合鏡13、第一 2 μ m全反鏡14、HoiYAG晶體15、第二 2μπι全反鏡16、第三2μπι全反鏡17和聲光調Q晶體18構成的環形腔的物理長度為2.Sm。
[0030]【具體實施方式】六:本實施方式是對【具體實施方式】一、二或三所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器作進一步說明，本實施方式中，輸出耦合鏡6對震蕩光的透過率為2%，輸出耦合鏡6的入射面鍍有LD泵浦光透過率大于99.5%的介質膜。
[0031]【具體實施方式】七:本實施方式是對【具體實施方式】一、二或三所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器作進一步說明，本實施方式中，2 μ m輸出耦合鏡13為曲率半徑為IOOOmm的平凹鏡，2 μ m輸出耦合鏡13的凹面鍍有對振蕩光透過率為18%的介質膜。
[0032]【具體實施方式】八:本實施方式是對【具體實施方式】一、二或三所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器作進一步說明，本實施方式中，第一 2 μ m全反鏡14的反射面、第二 2 μ m全反鏡16的反射面和第三2 μ m全反鏡17凹面均鍍有對LD泵浦光透過率大于99.5%且振蕩光反射率大于99.7%的介質膜。
[0033]【具體實施方式】九:本實施方式是對【具體實施方式】一、二或三所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器作進一步說明，本實施方式中，第三2 μ m全反鏡17為曲率半徑為IOOOmm的平凹鏡。
[0034]【具體實施方式】十:本實施方式是對【具體實施方式】一、二或三所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器作進一步說明，本實施方式中，激光二極管22的波長為785nm。
【權利要求】
1.一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，其特征在于，它包括:Tm，HckYAG種子激光器、Ho: YAG脈沖激光器和注入鎖頻伺服系統； 所述Tm，HckYAG種子激光器包括:第一全反鏡(I)、Tm，HoiYAG晶體(2)、起偏元件(3)、第一波長調諧元件(4)、第二波長調諧元件(5)、輸出耦合鏡(6)和激光二極管(22)； 所述HckYAG脈沖激光器包括:2 μ m輸出耦合鏡(13)、第一 2 μ m全反鏡(14)、HoiYAG晶體(15)、第二 2 μ m全反鏡(16)、第三2 μ m全反鏡(17)、聲光調Q晶體(18)和光纖激光器(23)； 激光二極管(22)發出的LD泵浦光依次經過第一全反鏡(I)、Tm, HoiYAG晶體(2)、起偏元件(3)、第一波長調諧元件(4)、第二波長調諧元件(5)和輸出耦合鏡(6)透射出Tm, Ho: YAG種子激光器，Tm, Ho: YAG種子激光器輸出的激光作為種子激光； 2“111輸出耦合鏡(13)、第一24 111全反鏡(14)、Ho: YAG晶體(15)、第二 2 μ m全反鏡(16 )、第三2 μ m全反鏡(17 )和聲光調Q晶體(18 )構成了一個環形腔，2 μ m輸出耦合鏡(13)將其接收到的種子激光透射到第一 2 μ m全反鏡(14)上，第一 2 μ m全反鏡(14)將該種子激光反射到HckYAG晶體(15)的一端，光纖激光器(23)發出的泵浦光透過第一 2 μ m全反鏡(14)入射到HckYAG晶體(15)的一端，HoiYAG晶體(15)的另一端輸出的激勵光經過第二 2μπι全反鏡(16)透射出HckYAG脈沖激光器，HoiYAG晶體(15)的另一端輸出的種子激光入射到第二 2μηι全反鏡(16)上,第二 2 μ m全反鏡(16)將該種子激光反射到第三2 μ m全反鏡(17)上，第三2 μ m全反鏡(17)將該種子激光分束為反射光和透射光，該反射光入射到聲光調Q晶體(18)中，該透射光經第三2μπι全反鏡(17)透射出Ho:YAG脈沖激光器，聲光調Q晶體(18)輸出的單頻脈沖 激光經過2 μ m輸出耦合鏡(13)透射出HckYAG脈沖激光器； 注入鎖頻伺服系統的驅動端用于驅動第三2 μ m全反鏡(17)對其接收到的種子激光進行諧振掃描，注入鎖頻伺服系統的控制信號輸出端連接聲光調Q晶體(18)的控制信號輸入端。
2.根據權利要求1所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，其特征在于，它還包括:耦合系統，所述耦合系統包括:變換透鏡(7)、二分之一波片(8)、光學隔離元件(9)、第二全反鏡(10)、第三全反鏡(11)和變換透鏡(12)； 變換透鏡(7)將其接收到的種子激光依次通過二分之一波片(8)和光學隔離元件(9)透射到第二全反鏡(10)上，第二全反鏡(10)將該種子激光反射到第三全反鏡(11)上，第三全反鏡(11)將該種子激光反射到變換透鏡(12)上，變換透鏡(12)將該種子激光透射出耦合系統。
3.根據權利要求1所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，其特征在于，所述注入鎖頻伺服系統包括:壓電陶瓷(19)、紅外探測器(20)和電學伺服系統(21)； 壓電陶瓷(19)的驅動端作為注入鎖頻伺服系統的驅動端，壓電陶瓷(19)的驅動信號輸入端連接電學伺服系統(21)的驅動信號輸出端，紅外探測器(20)用于探測第三2 μ m全反鏡(17)透射出的種子激光的諧振強度，紅外探測器(20)的電信號輸出端連接電學伺服系統(21)的電信號輸入端，電學伺服系統(21)的控制信號輸出端作為注入鎖頻伺服系統的控制信號輸出端。
4.根據權利要求2所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，其特征在于，第一全反鏡(I)的入射面、Tm，HoiYAG晶體(2)的兩面、第二全反鏡(10)的反射面和第三全反鏡(11)的反射面均鍍有對LD泵浦光透過率大于99.5%且振蕩光反射率大于99.7%的介質膜。
5.根據權利要求1、2或3所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，其特征在于,2 μ m輸出I禹合鏡(13)、第一 2μηι全反鏡(14)、Ho: YAG晶體(15)、第二 2μηι全反鏡(16)、第三2μ m全反鏡(17)和聲光調Q晶體(18)構成的環形腔物理長度為2.8m。
6.根據權利要求1、2或3所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，其特征在于，輸出I禹合鏡(6)對震蕩光的透過率為2%,輸出f禹合鏡(6)的入射面鍍有LD泵浦光透過率大于99.5%的介質膜。
7.根據權利要求1、2或3所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，其特征在于，2 μ m輸出耦合鏡(13)為曲率半徑為1000mm的平凹鏡，2 μ m輸出耦合鏡(13)的凹面鍍有對振蕩光透過率為18%的介質膜。
8.根據權利要求1、2或3所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，其特征在于，第一 2 μ m全反鏡(14)的反射面、第二 2 μ m全反鏡(16)的反射面和第三2 μ m全反鏡(17)凹面均鍍有對LD泵浦光透過率大于99.5%且振蕩光反射率大于99.7%的介質膜。
9.根據權利要求1、2或3所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，其特征在于，第三2 μ m全反鏡(17)為曲率半徑為1000mm的平凹鏡。
10.根據權利要求1、2或3所述的一種脈沖單頻運轉的2.09微米固體激光器，其特征在于，激光二極管(22)的波長為78`5nm。
【文檔編號】H01S3/105GK103500920SQ201310475776
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月14日 優先權日:2013年10月14日
【發明者】戴通宇, 姚寶權, 段小明, 鞠有倫, 王月珠 申請人:哈爾濱工業大學