一种基于种子注入式激光器的种子光进行激光频率锁定的装置

摘要

本发明公开了一种基于种子注入式激光器的种子光进行激光频率锁定的装置。所述装置包括种子注入式激光器，电光调制器，可调谐式F-P标准具，分束片，光电探测器，数据采集与分析单元，F-P标准具控制器，其中所述种子注入式激光器，用于输出1064nm的连续种子激光；数据采集与分析单元根据锁定用激光的分割比例，以及采集到的两个光电探测器的测量值，得到该锁定用激光在所述可调谐式F-P标准具锁定通道上的透过率实测值，将该实测值与锁频基准值比较，若有差别，则控制所述F-P标准具控制器进行调节，使所述透过率实测值保持在所述锁频基准值。通过上述装置就可以提升频率锁定中光强测量的信噪比和准确性，进而提高瑞利测风激光雷达系统的测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及激光遥感技术领域，尤其涉及一种基于种子注入式激光器的种子光进行 激光频率锁定的装置。

背景技术

目前，瑞利测风激光雷达是观测中高层大气风场的一种有力工具，雷达通过鉴频器 将光学信号的频率信息转化为强度信息，比较出射光和大气后向散射光的相对频移，根 据多普勒原理，反演出回波信号方向上的大气风速。大部分的瑞利测风激光雷达选用种 子注入式的Nd：YAG脉冲激光器作为雷达光源：一个较小的稳频1064nm激光器输出连续的 1064nm激光，作为“种子”注入一个较大的激光震荡腔和放大级中，生成与种子激光器 频率相同的1064nm激光脉冲，然后根据需要可以进行倍频或三倍频，产生532nm或355nm 的激光脉冲，为了在高空获得较高的回波信号强度，雷达通常会选择532nm或355nm作为 工作波长。

鉴频器是直接影响雷达测量精度的关键器件，国际上常用的一种鉴频器称为可调谐 式(Fabry-Perot，F-P)干涉仪，或者可调谐式F-P标准具：在两块间隔距离可调节的平 行平板上镀针对工作波长的高反射膜，若有工作波长的光入射到F-P标准具上，就会在两 块平板间形成多次反射，入射光在标准具上的透过率直接与其频率直接相关，因而可以 通过检测激光的透过率来反演光的频率信息。

在一个激光雷达系统中，出射激光的频率和F-P标准具频谱的初始相对位置，决定着 测量的精度和准确度，但是由于激光器的出射光频率会受到环境温度等因素的影响，标 准具自身的频谱也会随时间发生微小的变化，因此在激光雷达测量中，维持出射激光频 率与F-P标准具频谱的相对位置，即对出射激光进行频率锁定的技术就显得十分重要的。 现有瑞利测风激光雷达所使用的标准具常见的结构是在标准具的通光面分出三个区域： 两个信号通道和一个锁定通道。在三个区域分别镀不同厚度的膜，因而导致三个区域的 腔长(即标准具两平行平板的距离)产生差异，这种差异会反映在标准具三个通道的频 谱特性上，使三个通道的频谱曲线在频域上有一个固定的相对位置关系。如图1所示为现 有技术中F-P标准具三个通道的频谱曲线的示意图，图中横坐标是激光频率，纵坐标是激 光在标准具上的透过率；两侧的两个频谱(1)和(2)为信号通道频谱，中间的(3)为 锁定通道频谱，其中：两信号通道频谱的交点与锁定通道频谱的半高位置横坐标相同。

在现有技术的锁频方案中，用于锁频的锁定用激光就是发射进入大气的532nm或 355nm脉冲激光，测量脉冲光光强时，测量信噪比低；而且由于脉冲的上升和下降时间很 快，通常的探测器响应时间跟不上，会导致对脉冲波形的测量失真，准确性差，这些缺 点就会导致测量的透过率精度和准确性低，进一步导致雷达系统测量精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于种子注入式激光器的种子光进行激光频率锁定的装 置，可以提升频率锁定中光强测量的信噪比和准确性，进而提高瑞利测风激光雷达系统 的测量精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于种子注入式激光器的种子光进行激光频率锁定的装置，所述装置包括种子 注入式激光器，电光调制器，可调谐式F-P标准具，分束片，光电探测器，数据采集与分 析单元，F-P标准具控制器，其中：

所述种子注入式激光器，用于输出1064nm的连续种子激光；

所述可调谐式F-P标准具针对种子激光的1064nm波长设计标准具的锁定通道参数，并 针对532nm或355nm的工作波长设计标准具的两个信号通道参数，且三个通道的频谱相对 位置满足设计要求：锁定通道频谱的半高位置与两个信号通道频谱交点位置的横坐标相 同；

所述电光调制器，用于在频率锁定操作前，对所述种子注入式激光器输出的激光频 率进行调制，使所述可调谐式F-P标准具三个通道的频谱相对位置满足上述设计要求，且 在满足上述设计要求时种子激光在所述锁定通道上的透过率值即为锁频基准值；

在频率锁定操作时，所述1064nm的连续种子激光分出一部分用作锁定用激光，该锁 定用激光经过所述电光调制器后，通过所述分束片按照一定的比例分割为两部分，一部 分直接进入一个光电探测器，测量其光强；另一部分用透镜转化成平行光的形式，入射 进所述可调谐式F-P标准具的锁定通道，通过该可调谐式F-P标准具之后，再用另一个光 电探测器测量其光强；

所述数据采集与分析单元，用于根据该锁定用激光的分割比例，以及采集到的两个 光电探测器的测量值，得到该锁定用激光在所述可调谐式F-P标准具锁定通道上的透过率 实测值，将该实测值与所述锁频基准值比较，若有差别，则控制所述F-P标准具控制器进 行调节；

所述F-P标准具控制器，用于根据指令调节所述可调谐式F-P标准具，使所述透过率 实测值保持在所述锁频基准值。

所述装置还包括：

频谱图绘制单元，用于在频率锁定操作前，对所述可调谐式F-P标准具三个通道的透 过率曲线进行扫描，计算在不同腔长下种子激光在该三个通道上的透过率，并据此绘制 出所述可调谐式F-P标准具的频谱图。

所述可调谐式F-P标准具的腔长通过压电陶瓷控制以进行精细调节。

所述F-P标准具控制器进一步根据指令调节所述可调谐式F-P标准具中的压电陶瓷， 调节所述可调谐式F-P标准具的腔长，使所述可调谐式F-P标准具上三个通道的频谱整体 偏移，以使所述透过率实测值保持在所述锁频基准值。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述装置包括种子注入式激光器，电光调 制器，可调谐式F-P标准具，分束片，光电探测器，数据采集与分析单元，F-P标准具控 制器，其中：所述种子注入式激光器，用于输出1064nm的连续种子激光；所述可调谐式 F-P标准具针对种子激光的1064nm波长设计标准具的锁定通道参数，并针对532nm或355nm 的工作波长设计标准具的两个信号通道参数，且三个通道的频谱相对位置满足设计要 求：锁定通道频谱的半高位置与两个信号通道频谱交点位置的横坐标相同；所述电光调 制器，用于在频率锁定操作前，对所述种子注入式激光器输出的激光频率进行调制，使 所述可调谐式F-P标准具三个通道的频谱相对位置满足上述设计要求，且在满足上述设计 要求时种子激光在所述锁定通道上的透过率值即为锁频基准值；在频率锁定操作时，所 述1064nm的连续种子激光分出一部分用作锁定用激光，该锁定用激光经过所述电光调制 器后，通过所述分束片按照一定的比例分割为两部分，一部分直接进入一个光电探测 器，测量其光强；另一部分用透镜转化成平行光的形式，入射进所述可调谐式F-P标准具 的锁定通道，通过该可调谐式F-P标准具之后，再用另一个光电探测器测量其光强；所述 数据采集与分析单元，用于根据该锁定用激光的分割比例，以及采集到的两个光电探测 器的测量值，得到该锁定用激光在所述可调谐式F-P标准具锁定通道上的透过率实测值， 将该实测值与所述锁频基准值比较，若有差别，则控制所述F-P标准具控制器进行调节； 所述F-P标准具控制器，用于根据指令调节所述可调谐式F-P标准具，使所述透过率实测 值保持在所述锁频基准值。通过上述装置就可以提升频率锁定中光强测量的信噪比和准 确性，进而提高瑞利测风激光雷达系统的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他附图。

图1为现有技术中F-P标准具三个通道的频谱曲线的示意图；

图2为本发明实施例所提供的激光频率锁定的装置结构示意图；

图3为本发明实施例所述可调谐式F-P标准具的频谱示意图；

图4为本发明所提供具体实例的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，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，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图2所示为本发明实施例所 提供的激光频率锁定装置的结构示意图，图2中所述装置包括：种子注入式激光器1，电 光调制器2，可调谐式F-P标准具3，分束片4，光电探测器5和6，数据采集与分析单元7， F-P标准具控制器8，其中：

种子注入式(Nd:YAG)激光器1，用于输出1064nm的连续种子激光；

可调谐式F-P标准具3针对种子激光的1064nm波长设计标准具的锁定通道参数，并针 对532nm或355nm的工作波长设计标准具的两个信号通道参数，且三个通道的频谱相对位 置满足设计要求：锁定通道频谱的半高位置与两个信号通道频谱交点位置的横坐标相 同。另外，在具体实现过程中：上述种子激光的中心频率(1064nm)与工作激光(532nm 或355nm脉冲激光)的中心频率满足严格的2倍或3倍关系，在此基础上设计锁定通道、信 号通道的镀膜厚度差，具体设计方法与现有技术方法相同。

电光调制器2，用于在频率锁定操作前，对所述种子注入式激光器1输出的激光频率 进行调制，使所述可调谐式F-P标准具3三个通道的频谱相对位置满足上述设计要求，且 在满足上述设计要求时种子激光在所述锁定通道上的透过率值即为锁频基准值。

在频率锁定操作时，上述1064nm的连续种子激光分出一部分用作锁定用激光，该锁 定用激光经过所述电光调制器2后，通过所述分束片4按照一定的比例分割为两部分，一 部分直接进入一个光电探测器5，测量其光强；另一部分用透镜转化成平行光的形式，入 射进所述可调谐式F-P标准具3的锁定通道，通过该可调谐式F-P标准具3之后，再用另一 个光电探测器6测量其光强。

数据采集与分析单元7，用于根据该锁定用激光的分割比例，以及采集到的两个光电 探测器的测量值，得到该锁定用激光在所述可调谐式F-P标准具3锁定通道上的透过率实 测值，将该实测值与所述锁频基准值比较，若有差别，则控制所述F-P标准具控制器8进 行调节。

F-P标准具控制器8，用于根据指令调节所述可调谐式F-P标准具3，使标准具跟随这 个变化，使所述透过率实测值保持在所述锁频基准值，实现频率锁定。

在具体实现过程中，上述可调谐式F-P标准具3的腔长可以通过压电陶瓷控制以进行 精细调节，而F-P标准具控制器8进一步可以根据指令调节所述可调谐式F-P标准具3中的 压电陶瓷，从而调节所述可调谐式F-P标准具3的腔长，使所述可调谐式F-P标准具3上三 个通道的频谱整体偏移，以使所述透过率实测值保持在所述锁频基准值。

另外，上述装置还可以包括：

频谱图绘制单元，用于在频率锁定操作前，对所述可调谐式F-P标准具三个通道的透 过率曲线进行扫描，计算在不同腔长下种子激光在该三个通道上的透过率，并据此绘制 出所述可调谐式F-P标准具的频谱图，如图3所示为本发明实施例所述可调谐式F-P标准具 的频谱示意图，图3中的激光频率(11)是种子激光的激光频率，即1064nm。

下面以具体的实例来对本发明所述的装置进行说明，如图4所示为本发明所提供具体 实例的装置结构示意图，图4中：

电光调制器(6)的频率调制范围是0-2GHz。

可调谐式F-P标准具(7)的整体腔长12.5cm，2个信号通道一个不镀膜、一个镀70纳 米厚的高反射膜，锁定通道镀28纳米厚的高反射膜，该标准具的腔长可通过压电陶瓷控 制并作精细的腔长调节。

在锁频操作前，首先对可调谐式F-P标准具(7)的三个通道进行透过率扫描，若发 现锁定通道频谱与信号通道频谱相对位置与理论设计有偏差，则调节电光调制器(6)， 对出射的基频光加以一定的频移，以使可调谐式F-P标准具(7)的锁定通道的频谱的半 高位置与两信号通道的频谱交点位置频率坐标相同，并得出此时激光在锁定通道上的透 过率作为锁频基准值。

在锁频操作时，使用1×2光纤(13)将本应该全部由种子激光器(5)注入主激光器 (12)的种子激光分出一部分作为锁定用激光，该锁定用激光经过电光调制器(6)后， 通过透镜(14)进行准直，将其转变为平行光。

然后，该束平行光在进入可调谐式F-P标准具(7)前使用分束片(15)分出一定比 例的光经过聚焦透镜(16)后耦合进一个工作波长范围覆盖1064nm的光电探测器(17) 由光电探测器(17)测量光强；另一部分通过可调谐式F-P标准具(7)的锁定通道(如 图4中虚线所示)后，再通过聚焦透镜(18)耦合进一个相同的光电探测器(19)测量光 强。

数据采集与分析系统细分为数据采集系统(8)-1和计算机分析系统(8)-2，如图4 所示：数据采集系统(8)-1收集两个光电探测器(17和19)的测量数据，传到计算机分 析系统(8)-2中；计算机分析系统(8)-2根据两个探测器的测量值相比，以及分束片 (15)的分束比例，计算出当前种子激光在可调谐式F-P标准具(7)锁定通道上的透过 率实测值，将该实测值与锁频基准值进行比较，得出可调谐式F-P标准具(7)需要调节 的腔长方向和大小。

计算机分析系统(8)-2再将计算出的结果送给标准具控制器(9)，由标准具控制 器(9)控制可调谐式F-P标准具(7)中的压电陶瓷，使平板移动，可调谐式F-P标准具 (7)上的三个通道频谱整体偏移，以使种子激光在锁定通道上的透过率值重新回到锁频 基准值，实现频率锁定。

通过上述实施例所述的装置就可以提升频率锁定中光强测量的信噪比和准确性，进 而提高瑞利测风激光雷达系统的测量精度，具体来说：本发明采用1064nm连续光进行频 率锁定，在同样的测量时间内，有信号时间较现有技术使用脉冲光进行频率锁定的方案 有极大提高，而增加有信号时间相当于进行了多次测量，此举会极大的提高信噪比。

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{net}}=\sqrt{N}\mathrm{SNR}---\left(1\right)$

式(1)中SNR_net是多次测量的净信噪比；N是独立测量的次数；SNR是单次测量的信 噪比。

测量光强时，有信号时间就是测量时间，而使用脉冲光进行频率锁定时，脉冲光脉 宽是纳秒量级，脉冲重复频率只有几十赫兹，以脉宽20纳秒，脉冲重复频率50赫兹为 例，则连续测量相比脉冲测量信噪比提升了1000倍，提升了频率锁定中光强测量的信噪 比。

同时，由于本发明对连续光进行光强测量，光信号强度在短时间内没有大的跳变， 探测器响应时间不够快而造成测量波形失真的情况不会发生。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。