一种高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光器

摘要

一种高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光器，其包括1064nm和1319nm种子激光、各自的激光光束整形系统；各自的激光放大器；频率调制器；589nm和频装置和激光波长检测调控装置；通过对1064nm/1319nm种子激光的频率调制，获对称于被调种子激光中心频率的边带激光，经功率放大后通过和频产生钠黄光，波长检测调控装置反馈控制种子激光频率使黄光中心频率对准钠原子D2a线，频率蓝移黄光波长对准钠原子D2b线，实现高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光输出；该激光器有效降低对频率调制器损伤阈值要求，激光与钠原子耦合效率提高2-3倍，在天文观测、空间目标探测与成像、大气测量等领域极具应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光器，特别涉及一种高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光 器。

背景技术

使用地基望远镜对天体等空间目标进行观测时，由于大气湍流等的扰动影响， 将极大地降低成像分辨率。采用自适应光学技术可以对这些扰动因素进行校正，使 望远镜达到理论衍射极限分辨率，这对于理论衍射极限分辨率极高的大口径天文望 远镜尤其必要。采用自适应光学系统进行图像校正时，需要有导引星（称为信标）， 即在距离地面一定高度处产生或寻找一较强的光源，以之发射的光信号波前为标准， 通过测量该波前通过大气产生的相位畸变来获得误差信号，从而实现对观测目标的 成像校正。开始人们使用天空中的自然亮星作为信标，但是满足亮度要求的亮星很 少，于是开始研究激光信标，即由地面发射激光，利用大气对激光的背向散射光作 为信标。激光信标技术当前主要有瑞利信标和钠信标两种。其中，瑞利信标是在海 拔10~20km高的大气中产生的，源于大气对532nm波长绿激光的背向散射，由于生 成高度较低，校正效果有限。钠信标是利用海拨90~110km高的大气电离层的钠原子 对589nm波长黄激光的共振荧光背向散射产生的，由于钠信标生成高度比瑞利信标 高得多，已接近大气顶层，是自适应光学望远镜的理想信标，可极大的提高天文望 远镜的分辨率。

1982年美国Princeton Uiversity的Happer首先提出钠信标激光技术。1984年美 国的Humphreys等人在MIT的Lincoln实验室首先进行了实验验证。1985年法国的 Roy和Labeyrie根据高分辨率自适应光学天文望远镜的需要，也独立地提出这一技 术并公开发表了文献。这迫使美国逐步解密了激光信标技术，随之德国、法国、日 本、英国等都加快了信标激光器的研究，促使信标激光技术迅速发展起来。美国在 连续波钠信标激光技术上处于国际领先水平，2003年美国Martin公司采用Nd:YAG 激光的1064nm与1319nm谱线和频技术，获得连续波钠信标激光输出达20W、线宽 小于1GHz，并产生了7等星亮度的钠导引星，2005年，又进一步实现了50W连续 波钠信标激光输出[C.A.Denman,P.D.Hillman,et al,“Realization of a 50-watt  facility-class sodium guidestar pump laser”,Proc.SPIE,5707:46(2005)]。德国Toptica 公司则采用了光纤拉曼激光倍频技术，获得了连续波钠信标激光输出达25W，再经 三路基频光合成后外腔倍频实现了50W 589nm黄光输出[Luke R.Taylor,Yan Feng, Domenico Bonaccini Calia，“50W CW visible laser source at 589nm obtained via  frequency doubling of three coherently combined narrow-band Raman fibre amplifiers”, Optics Express,18:8540(2010)]。总之，目前国际上钠信标激光器研制主要发展的是 连续波钠信标技术，采用的技术方案主要包括Nd:YAG激光和频技术与光纤拉曼激 光倍频技术。

钠原子D_2a与D_2b谱线分别对应能级3S_1/2（F=2）、3S_1/2（F=1）到能级3P_3/2（F=3） 的跃迁。由于两谱线共用一个上能级，当使用波长对准钠原子D_2a谱线的激光激发钠 原子时，被激发到上能级的钠原子有一定概率跃迁至下能级的F=1态，从而使得D_2a谱线的下能级粒子数减少，导致激光与钠原子的耦合效率下降。Tom Jeys等人在1991 年提出同时发射一束频率蓝移的激光，可以使跃迁至下能级F=1态的钠原子重新获得 激发[Jeys,T.H.,Lincoln Lab Journal4(2),133(1991)]。因此，同时引入对准D_2b谱线的 激光，将下能级F=1态的钠原子激发至上能级，提高了钠原子跃迁至下能级F=2态的 概率,然后被对准D_2a谱线的激光重新激发的概率大大提高，从而增强了激光与钠原 子的耦合效率。2006年，在SOR利用两台独立的激光进行的对比试验也证实了同时 发射一束频率蓝移的激光，对准钠原子D_2b谱线，可以提高60%的回波光子数[Denman, C.et al“Two-Frequency Sodium Guidestar Excitation at the Starfire Optical Range” CfAO Retreat Nov2006.]。目前主要发展的连续波钠信标激光器，均采用共振增强腔 进行和频或倍频以提高效率，对基频光进行调制获得双峰谱线黄光输出的技术难度 较大，一般采用直接对输出黄光进行频率调制实现钠原子D_2a与D_2b谱线的双峰谱线输 出，这样若想获得高功率，双峰谱线输出的钠信标激光就对频率调制器的损伤阈值 提出了较高的要求。

本发明涉及的高功率双峰谱线输出高耦合效率钠信标激光器，可采用连续波、准 连续波和脉冲运转方式，通过对种子源激光进行频率调制获得双峰谱线黄光输出，大 大降低了对调制器损伤阈值的要求；同时可通过对种子激光放大获得高功率基频光输 出，因此更容易实现高功率、双峰谱线输出的高耦合效率钠信标激光输出。

发明内容：

目前主要发展的钠信标激光器需采用频率调制器直接调制钠信标激光实现钠原 子D_2a与D_2b谱线的双峰谱线激光输出，本发明的目的在于克服频率调制器损伤阈值较 低的不足，本发明提供一种对种子源激光进行调制获得双峰谱线黄光输出的激光器， 大大降低了对调制器损伤阈值的要求，同时可通过对种子激光放大获得高功率钠信 标激光输出。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光器，其包括：1064nm种子 激光源、1064nm激光光束整形系统、1064nm激光放大器、1319nm种子激光源、 1319nm激光光束整形系统、1319nm激光放大器、频率调制器、589nm和频装置和 激光波长检测调控装置；所述1064nm种子激光源和1319nm种子激光源分别发射 1064nm种子激光和1319nm种子激光；其特征在于：

所述1064nm激光光束整形系统和1319nm激光光束整形系统分别对1064nm 种子激光和1319nm种子激光进行整形，使整形后1064nm种子激光与1064nm激 光放大器匹配，使整形后1319nm种子激光与1319nm激光放大器匹配；

所述频率调制器对整形后的1064nm种子激光或整形后的1319nm种子激光进行 频率调制，获得频率对称分布于被调制的种子激光的边带激光，之后分别通过1064 nm激光放大器和1319nm激光放大器对二束种子激光进行功率放大，之后再通过589 nm和频装置进行和频得到三个频率的黄光；所述激光波长检测调控装置对中心频率 的黄光进行检测调控之后反馈至被调控的种子激光源，使产生的黄光中心频率对准 钠原子D_2a线，然后精确调节种子激光源频率调制器的调制频率，使频率蓝移的黄光 波长对准钠原子D_2b线，得到高功率双峰谱线输出的高耦合效率钠信标激光。

所述的1064nm种子激光器和1319nm种子激光器为固体激光器或半导体激光 器；所述固体激光器为单块非平面环形激光器或分立元件环形腔激光器；所述固体 激光器采用的激光晶体为Nd:YAG晶体；所述半导体激光器为分布反馈半导体激光 器。所述的1064nm激光光束整形系统和1319nm激光光束整形系统由一个或多个透 镜构成。所述Nd:YAG晶体固体激光放大器所采用的Nd:YAG晶体形状是圆棒状或 板条状。所述的频率调制器为KTP、KDP、RTP、BBO、MgO:LiNbO₃或LiNbO₃材质 的频率调制器。所述的589nm和频装置采用的和频晶体为LBO晶体、KTP晶体、 PPKTP晶体或PPLN晶体。所述的激光波长检测调控装置经光电转换器件探测黄光 波长，通过电子元器件反馈控制种子激光波长，以实现输出激光波长精确对准钠原 子吸收谱线。

本发明的高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光器优越性在于：

本发明的高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光器通过对1064nm或1319nm种 子激光进行调制获得双峰谱线分别对准钠原子D_2a与D_2b谱线的黄光输出，大大降低 了对调制器损伤阈值的要求，同时对种子激光放大可获得高功率1064nm与1319nm 激光输出，进而通过和频实现高功率钠信标激光输出；因此，该激光器可实现高功 率、双峰谱线钠信标激光输出，同时对准钠原子的D_2a线与D_2b线，有效地提高激光 与钠原子的耦合效率，从而在天文观测、空间目标探测与成像、大气测量等领域具 有重要的应用价值。

附图说明：

图1是本发明（实施例1）激光器的结构示意图；

图2为本发明（实施例2）激光器的结构示意图；。

具体实施方式

实施例1（对1064nm种子激光1进行调制）

按照图1所示的结构制作一台高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光器：种子激 光源采用单块非平面环形腔Nd:YAG激光器，采用TEC控温仪对晶体进行精确温控， 控温精度±0.1°C，1064nm种子激光源输出单频连续激光功率为1W的1064nm种子 激光1，1319nm种子激光源输出单频连续激光功率为0.6W的1319nm种子激光4； 1064nm种子激光1通过激光光束整形系统2整形后，经材料为KTP的频率调制器7 调制，调制器损伤阈值为10W/mm²，通光口径为Ф2mm,；1064nm激光放大器3采 用行波放大，激光介质选用Nd离子掺杂浓度为0.6%的Nd:YAG晶体，尺寸为 Ф2×80mm，晶体双端面镀1064nm增透膜，在1064nm激光放大器3泵浦功率为300W 时，1064nm种子激光1被放大至55W；1319nm种子激光4通过1319nm激光光束 整形系统5后注入至固体激光放大器6，该固体激光放大器6采用行波放大，激光介 质选用Nd离子掺杂浓度为0.6%的Nd:YAG晶体，尺寸为Ф2×80，晶体双端面分别 镀1064nm增透膜与1319nm增透膜，在固体激光放大器6泵浦功率为400W时， 1319nm种子激光4被放大至30W，通过KTP晶体（589nm和频装置）对两束基频 光进行和频，获得10W的连续黄激光输出；利用波长计对黄光进行波长检测，然后 反馈控制1064nm种子激光1波长，实现黄光中心波长精确对准钠原子D_2a线；精确 调谐频率调制器7的频率，使得经调制后产生的黄光蓝移边带光波长对准钠原子D_2b谱线，从而实现高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光输出。

实施例2（对1319nm种子激光4进行调制）

按照图2所示的结构制作一台高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光器，它与实 施例1的区别是对1319nm种子激光器输出的1319nm种子激光4进行调制，然后经 过功率放大后与1064nm的放大激光进行和频，产生分别对准钠原子D_2a与D_2b谱线 的双峰谱线钠信标连续激光。

实施例3（种子激光源采用分立元件环形腔结构）

按照图1所示的结构制作一台高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光器，它是在 实施例1的基础上改进的，1064nm种子激光源和1319nm种子激光源分别采用分立 元件环形腔结构，在重复频率500Hz，脉宽120us的运行条件下，分别输出20W的 1064nm种子激光1与18W的1319nm单频种子激光4，20W的1064nm种子激光 与18W的1319nm单频种子激光在分别经行波放大后，放大器泵浦功率为432W时 1064nm种子激，1064nm种子激光1被放大至90W；放大器泵浦功率为600时1319nm 种子激光4被放大至60W，之后通过LBO晶体和频获得25W准连续钠信标激光输 出；通过对1064nm种子激光频率调制后获得高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光 输出。

实施例4（放大器采用注入锁定放大）

按照图1所示的结构制作一台高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光器，它是在 实施例1的基础上改进的，1064nm种子激光源和1319nm种子激光源分别采用单块 非平面环形腔Nd:YAG激光器，分别输出1W连续1064nm种子激光1与0.6W连续 1319nm单频种子激光4，放大器采用PDH注入锁定放大，激光介质选用Nd离子掺 杂浓度为0.6%的Nd:YAG晶体，尺寸为Ф3×80mm，放大器泵浦功率分别为450W 与550W时，1064nm种子激光1与1319nm种子激光4的功率分别放大至100W与 55W，通过LBO晶体和频获得10W连续钠信标激光输出；通过对1064nm种子激光 频率调制后获得高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光输出。

实施例5（放大器激光介质采用板条Nd:YAG晶体）

按照图1所示的结构制作一台高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光器器，它是 在实施例1的基础上改进的，种子激光源采用分立元件环形腔结构，在重复频率 500Hz，脉宽120us的运行条件下，分别输出20W的1064nm种子激光1与18W的 1319nm单频种子激光4，放大器激光介质选用Nd离子掺杂浓度为0.1%的Nd:YAG 晶体，尺寸为60×10×2mm，经五程放大，放大器泵浦功率分别为400W与450W时， 1064nm种子激光1和1319nm单频种子激光4的功率分别放大至110W与50W，通 过LBO晶体和频获得25W准连续钠信标激光输出；通过对1064nm种子激光频率调 制后获得高功率双峰谱线高耦合效率钠信标激光输出。

本发明还可以有其他多种实施例，再不背离本发明精神及其实质的情况下，熟 悉本领域的技术人员可根据本发明作出相应的改变和变型，但这些相应的改变和变 型都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。