高空钠层风温探测激光雷达发射激光系统

摘要

本发明公开了一种高空钠层风温探测激光雷达发射系统，涉及高空钠层风温探测激光雷达领域。该系统由种子激光单元(1)、声光调制单元(2)、拉曼光纤激光放大单元(3)、倍频与脉冲激光放大单元(4)和原子稳频控制单元(5)组成。各单元之间采用光纤连接，且声光调制单元和拉曼光纤激光放大单元的内部也使用光纤结构，使单元内部和单元之间受温度和震动影响大大减小，空间布局不再受限制。具有结构紧凑、体积小、便于集成、环境适应能力强、工作稳定可靠等优点。

说明书

技术领域：

本发明涉及高空钠层风温探测激光雷达，特别涉及高空钠层风温探测激光雷达的发射激光系统。

背景技术：

目前大气探测激光雷达对高空80-110km范围钠层的风场和温度探测的方法之一是：利用钠层中钠原子谱线随温度的多普勒光谱展宽和钠原子谱线随风速的多普勒光谱频移原理，采用三频窄线宽激光激发钠原子产生荧光，通过接收三频荧光信号的强度，进行反演获得风场和温度。

文献1(Retrieving mesopause temperature and line-of-sight wind from full-diurnal-cycle Na lidar observations，DAVIDA.KRUEGER et al.，Applied Optics，Vol.54,No.32，November 102015)公开了一种钠层风温探测激光雷达系统，该系统的发射激光系统包含：环形染料种子激光单元(CW Seed Injection)、声光调制单元(Acousto Optic Modulation)、原子稳频控制单元(Doppler-Free Spectroscopy)和脉冲激光放大器(Amplification)等组成，获得了大量钠层风温的优良观测数据。但是，该方案从环形染料种子激光单元开始，一直到脉冲激光放大单元的激光输出，均采用自由光路，自由光路的光程很长，光程中的任一环节特别是前端光路稍受环境温 度或震动影响，都会造成后端光路的偏移，致使整个激光系统工作稳定性受到影响，甚至不能正常观测运行。

文献2(全固态窄带钠层荧光激光雷达系统及初步观测结果，夏媛等，中国激光，第42卷，光学前沿—激光技术专刊，2015年9月)提出一种采用全光纤声光调制方案，使部分光路在非自由空间的光纤中传输，很大程度的改进了发射激光系统在温度和震动环境下的工作稳定性，但大部分光路仍然采用自由空间传输方式，抗温度和震动影响的能力有限。

发明内容：

本发明的目的是：提供一种高空钠层风温探测激光雷达发射激光系统。该系统的种子激光单元、声光调制单元、拉曼光纤激光放大单元、倍频与脉冲激光放大单元和原子稳频控制单元之间均采用光纤连接，且声光调制单元和拉曼光纤激光放大单元的内部也使用光纤结构，使单元内部和单元之间受温度和震动影响大大减小，空间布局不再受限制。具有结构紧凑、体积小、便于集成、环境适应能力强、工作稳定可靠等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

高空钠层风温激光雷达发射系统由种子激光单元(1)、声光调制单元(2)、拉曼光纤激光放大单元(3)、倍频与脉冲激光放大单元(4)和原子稳频控制单元(5)组成。

其中，种子激光单元(1)采用光纤输出的光栅外腔反馈半导体激光器，输出波长为1178nm的种子激光；

声光调制单元(2)由光开关控制器(21)、第一光开关(22)、第二光开关(23)、第一声光调制器(24)和第二声光调制器(25)组成；第一声光调制器(24)的两端分别通过光纤连接到第一光开关(22)的第一输出端(22A)和第二光开关(23)的第一输入端(23A)，第二声光调制器(25)的两端分别通过光纤连接到第一光开关(22)的第二输出端(22B)和第二光开关23的第二输入端(23B)，第一光开关(22)的第三输出端(22C)通过光纤连接到第二光开关(23)的第三输入端(23C)；光开关控制器(21)的输出端连接到第一光开关(22)和第二光开关(23)的控制端；拉曼光纤激光放大单元(3)由第一光隔离器(31)、泵浦半导体激光器(32)、拉曼放大光纤(33)和第二光隔离器(34)组成；第一光隔离器(31)的输出端连接到拉曼放大光纤(33)，泵浦半导体激光器(32)的输出激光通过光纤连接到拉曼放大光纤(33)，拉曼放大光纤(33)的输出光进入第二光隔离器(34)的输入端；

倍频与脉冲激光放大单元(4)由聚焦透镜(41)、倍频晶体(42)、准直透镜(43)、分光镜(44)、耦合透镜(45)、脉冲激光放大器(46)组成；聚焦透镜(41)、倍频晶体(42)、准直透镜(43)、分光镜(44)、耦合透镜(45)和脉冲激光放大器(46)依次直线放置，其中倍频晶体(42)位于聚焦透镜(41)光斑焦点处，准直透镜(43)与光斑焦点的距离等于准直透镜(43)的焦距，分光镜(44)与准直透镜(43)输出的准直光呈45度夹角，分光镜(44)的透射光方向对准脉冲激光放大器(46)的种子激光输入端，在分光镜(44)反射光方向与光 束同轴安装耦合透镜(45)，耦合透镜(45)将光汇聚入光纤；

原子稳频控制单元(5)采用与文献1所述Doppler-Free Spectroscopy相同的原理形式，其输出的稳频控制信号连接到种子激光单元(1)的压电陶瓷。

种子激光单元(1)的输出激光通过光纤连接到声光调制单元(2)中第一光开关(22)的输入端，声光调制单元(2)中第二光开关(23)的输出端通过光纤连接到拉曼光纤激光放大单元(3)中第一光隔离器(31)的输入端，拉曼光纤激光放大单元(3)中第二光隔离器(34)的输出端通过光纤输出到倍频与脉冲激光放大单元(4)，且输出光与聚焦透镜(41)同轴；倍频与脉冲激光放大单元(4)中耦合透镜(45)汇聚的光通过光纤传输到原子稳频控制单元(5)。

本发明的优点是：

1)种子激光单元采用光纤输出的光栅外腔反馈半导体激光器，与现有环形染料激光器相比，内部结构简单，光路短，体积小，受环境温度和震动影响小，工作更加稳定可靠；2)激光声光调制单元采用全光纤结构，与现有自由光路相比，硬件调整少，结构紧凑，体积小，受环境温度和震动影响小，工作更加稳定可靠；3)种子激光功率放大采用拉曼光纤放大方式，结构紧凑，受环境温度和震动影响小，工作更加稳定可靠；4)系统各单元之间的连接均采用光纤连接，使整机便于灵活布局和系统集成，工作受环境温度和震动影响小。

附图说明：

图1高空钠层风温探测激光雷达发射激光系统原理框图

其中，种子激光单元1、声光调制单元2、拉曼光纤激光放大单元3、倍频与脉冲激光放大单元4和原子稳频控制单元5。

图2种子激光单元原理图

其中，1种子激光单元，2声光调制单元，5原子稳频控制单元。

图3声光调制单元原理图

其中，种子激光单元1、声光调制单元2、拉曼光纤激光放大单元3、光开关控制器21、第一光开关22、第二光开关23、第一声光调制器24、第二声光调制器25。

图4拉曼光纤激光放大单元原理图

其中，声光调制单元2、拉曼光纤激光放大单元3、倍频与脉冲激光放大单元4、第一光隔离器31、泵浦半导体激光器32、拉曼放大光纤33、第二光隔离器34。

图5倍频与脉冲激光放大单元原理图

其中，种子激光单元1、拉曼光纤激光放大单元3、倍频与脉冲激光放大单元4、原子稳频控制单元5、聚焦透镜41、倍频晶体42、准直透镜43、分光镜44、耦合透镜45、脉冲激光放大器46。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

1、系统结构

高空钠层风温探测激光雷达发射激光系统由种子激光单元1、声光调制单元2、拉曼光纤激光放大单元3、倍频与脉冲激光放大单元 4和原子稳频控制单元5组成，如图1所示。

其中，种子激光单元1采用光纤输出的光栅外腔反馈半导体激光器，输出波长为1178nm的种子激光，如图2所示。原子稳频控制单元5输出的稳频控制信号连接到种子激光单元1的压电陶瓷，种子激光单元1的输出激光通过光纤连接到声光调制单元2中第一光开关22的输入端。

声光调制单元2由光开关控制器21、第一光开关22、第二光开关23、第一声光调制器24和第二声光调制器25组成。如图3所示。第一声光调制器24的两端分别通过光纤连接到第一光开关22的第一输出端22A和第二光开关23的第一输入端23A，第二声光调制器25的两端分别通过光纤连接到第一光开关22的第二输出端22B和第二光开关23的第二输入端23B，第一光开关22的第三输出端22C通过光纤连接到第二光开关23的第三输入端23C；光开关控制器21的输出端连接到第一光开关22和第二光开关23的控制端；第二光开关23的输出端通过光纤连接到拉曼光纤激光放大单元3的第一光隔离器31的输入端。

拉曼光纤激光放大单元3由第一光隔离器31、泵浦半导体激光器32、拉曼放大光纤33和第二光隔离器34组成，如图4所示。第一光隔离器31的输出连接到拉曼放大光纤33；泵浦半导体激光器32的输出激光通过光纤连接到拉曼放大光纤33；拉曼放大光纤33的输出光经第二光隔离器34再通过光纤连接到倍频与脉冲激光放大单元4。

倍频与脉冲激光放大单元4由聚焦透镜41、倍频晶体42、准直透镜43、分光镜44、耦合透镜45、脉冲激光放大器46组成，如图5所示。在拉曼光纤激光放大单元3的光纤输出光方向依次沿直线放置聚焦透镜41、倍频晶体42、准直透镜43、分光镜44、耦合透镜45和脉冲激光放大器46，其中倍频晶体42位于聚焦透镜41汇聚的光斑焦点处，准直透镜43与光斑焦点的距离等于准直透镜43的焦距，分光镜44与准直透镜43输出的准直光呈45度夹角，分光镜44的透射光方向对准脉冲激光放大器46的种子激光输入端；分光镜44反射光方向与光束同轴安装耦合透镜45，耦合透镜45将光汇聚入光纤，经光纤传输到原子稳频控制单元5。

2、工作原理

用本发明的装置，获得高空钠层风温探测激光雷达发射激光的方法为：

原子稳频控制单元5输出的稳频控制信号通过控制种子激光单元1的压电陶瓷，调整光栅反馈的角度，使输出种子激光波长1178nm的二倍频589nm激光位于钠原子D2a光谱的Doppler-Free谱线上，达到种子激光稳频的目的。

在声光调制单元2中，光开关控制器21的输出信号可同步控制第一光开关22和第二光开关23，当第一光开关22切换到第一输出端22A、第二光开关23切换到第一输入端23A时，由种子激光单元1输出的激光依次经过第一光开关22、第一声光调制器24和第二光开关23后输出，第一声光调制器24使激光频率增加315MHz，输出 激光频率记为1178f+；当第一光开关22切换到第二输出端22B、第二光开关23切换到第二输入端23B时，由种子激光单元1输出的激光依次经过第一光开关22、第二声光调制器25和第二光开关23后输出，第二声光调制器25使激光频率减小315MHz，输出激光频率记为1178f-；当第一光开关22切换到第三输出端22C、第二光开关23切换到第三出入端23C时，由种子激光单元1输出的激光依次经过第一光开关22、光纤和第二光开关23后输出，激光频率保持不变，输出激光频率记为1178f0。即：声光调制单元2可将种子激光单元1输出的1178nm种子激光的频率调制为1178f+、1178f-和1178f0三种频率，并可在光开关控制器21的控制下，有选择的输出。

声光调制单元2输出的1178nm种子激光进入拉曼光纤激光放大单元3后，经第一光隔离器31进入拉曼放大光纤33，在泵浦半导体激光器32输出的波长为1120nm激光的泵浦下，将1178nm种子激光的功率放大，经第二光隔离器34输出。

拉曼光纤激光放大单元3输出的1178nm种子激光进入倍频与脉冲激光放大单元4后，先由聚焦透镜41汇聚，使能量密度升高，再经倍频晶体42倍频为589nm的激光，经准直透镜43准直为平行光，由分光镜44分为两束：分光镜44的反射光束经耦合透镜45耦合到光纤中，通过光纤传输到原子稳频控制单元5，原子稳频控制单元5采用与文献1所述Doppler-Free Spectroscopy相同的原理形式，原子稳频控制单元5输出的稳频控制信号反馈到种子激光单元1，使输出种子激光波长1178nm的二倍频589nm位于钠原子D2a光谱的 Doppler-Free谱线上，达到种子激光稳频的目的；分光镜44的透射光束进入脉冲激光放大器46，脉冲激光放大器46采用与文献1所述Amplification相同的原理形式，在脉冲Nd:YAG激光器的泵浦下，将激光放大为短脉冲、高峰值功率的激光输出，该激光即为高空钠层风温探测激光雷达的发射激光。