CN103296577A

CN103296577A - 卫星测距用kHz绿光皮秒激光器

Info

Publication number: CN103296577A
Application number: CN2013101923048A
Authority: CN
Inventors: 李港; 陈檬
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2013-09-11

Abstract

卫星测距用kHz绿光皮秒激光器，属于激光器技术领域。全固态Nd:YVO₄-SESAM锁模激光器单元输出一串小能量皮秒激光脉冲作为卫星测距kHz皮秒激光器种子光，通过全固态kHzNd:YAG再生放大器单元将其放大到2-3mJ,再通过倍频单元实现平均功率1-2W、重复频率1-2kHz、波长532nm的皮秒激光脉冲输出。本发明具有脉冲宽度窄（<20ps）、重复高（kHz）、功率大（2W）、信噪比高（>10²），可实现高精度、高回波率、高轨卫星白天测距。

Description

卫星测距用kHz绿光皮秒激光器

技术领域

本发明是基于卫星测距用全固态皮秒激光器，包括半导体激光二极管（LD）泵浦的Nd:YVO₄SESAM锁模皮秒激光器、LD泵浦的Nd:YAG再生放大器以及将1064nm波长转换为532nm的倍频器，激光器工作频率1-2千赫兹（kHz），激光脉宽小于20皮秒（ps）。

背景技术

卫星激光测距（Satellite Laser Ranging,SLR）是上世纪60年代初期由美国宇航局（NASA）发起的一项旨在利用空间技术来研究地球动力学、大地测量学、地球物理学和天文学等的技术手段，也是天文地球动力学一项重要观测手段。卫星测距用激光器经历了从纳秒（ns）脉宽的调Q激光器到皮秒脉宽（ps）的锁模激光器，测距精度从米级提高到厘米级；重复频率从10赫兹（Hz）到几百赫兹；从灯泵浦到半导体激光泵浦。目前kHz皮秒激光器作为卫星测距***激光光源是精度最高、回波数据量最大的一种卫星测距用激光光源，其卫星测距精度可达毫米量级，地球卫星定轨精度可达厘米量级。。

发明内容

本发明提供了一种卫星测距用kHz皮秒激光器，其包括：

卫星测距用kHz绿光皮秒激光器，包括：

全固态Nd:YVO₄-SESAM锁模激光器单元，用于产生重频在50～80MHz、激光脉冲宽度10～20ps、单脉冲能量大于等于1nJ的皮秒种子光；

全固态kHz Nd:YAG再生放大器单元，用于实现对皮秒种子光能量的放大，工作频率1-2kHz；

倍频单元，用于将1064nm波长变换为532nm波长。

全固态Nd:YVO₄-SESAM锁模激光器单元输出一串小能量皮秒激光脉冲作为卫星测距kHz皮秒激光器种子光，通过全固态kHz Nd:YAG再生放大器单元将其放大到2-3mJ,再通过倍频单元实现平均功率1-2W、重复频率1-2kHz、波长532nm的皮秒激光脉冲输出。

所述全固态Nd:YVO₄-SESAM锁模激光器单元包括沿着光路依次设置的激光二极管1、自聚焦透镜2、激光晶体A3、腔镜单元，激光二极管1和激光晶体A3通过半导体制冷器控制温度，控温精度小于±0.2°C。

所述全固态Nd:YVO₄-SESAM锁模激光器中腔镜单元包括沿振荡光方向依次设置的凹面反射镜A14、平面反射镜A15、平面输出镜6、平面反射镜A27、凹面反射镜A28和SESAM锁模元件9；平面输出镜6输出种子光，凹面反射镜A14和凹面反射镜A28入射光反射光之间夹角小于8°，平面反射镜A15和平面反射镜A27入射光反射光之间夹角小于20°，凹面反射镜A14距激光晶体A3的距离等于凹面反射镜A14的曲率半径，凹面反射镜A28距SESAM锁模元件9的距离等于凹面反射镜A28的曲率半径。

所述全固态Nd:YVO₄-SESAM锁模激光器单元输出光偏振态为水平偏振光。

所述全固态kHz Nd:YAG再生放大器单元沿光路依次设置的由偏振片B112、半波片13、法拉第旋光器14、偏振片B215、四分之一波片B116、普克尔盒17、凸面反射镜B118，光经凸面反射镜B118的反射反射回路上沿依次设置普克尔盒17、四分之一波片B116、偏振片B215、偏振片B319、增益单元20、四分之一波片B221、光阑22和凸面反射镜B223，偏振片B112、B215、B319按入射角等于56°±1°放置，半波片光轴与水平偏振入射光电矢量振动面夹角成22.5°角放置，四分之一波片B116光轴与水平偏振入射光电矢量振动面成45°角放置，四分之一波片B221光轴与垂直偏振入射光电矢量振动面成0°角放置，全固态Nd:YVO₄-SESAM锁模激光器单元输出的水平偏振种子光经45°反射镜A10和45°全反镜B11反射进入全固态kHzNd:YAG再生放大器单元，偏振片B112将再生放大光导出。

所述增益单元20由脉冲1-2kHz半导体激光巴条20a和激光晶体B20b构成，激光晶体B20b位于半导体激光巴条20a中心，半导体激光巴条20a按120°角或60°角分布放置，增益单元由循环水冷却并控温，控温精度小于±0.5°C。

所述再生放大器谐振腔是由凸面反射镜B118和凸面反射镜B223构成的双凸反射镜腔。

所述倍频单元由沿光路依次设置的45反射镜B24、LBO倍频晶体、45°透-反镜C126和45°透-反镜C227构成。

所述倍频晶体为I类1064-532nm相位匹配LBO晶体或温度相位匹配LBO晶体。

所述倍频单元两个45°透-反镜C126和C227，镀有532nm高反膜和1064nm高透膜，最后532nm光由45°透-反镜C227反射输出。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明输出脉冲宽度窄（<20ps），测距精度高，地靶测距精度可达5mm。

2、本发明输出激光脉冲重复频率高（kHz），可提高卫星测距的回波率。

3、本发明输出激光平均功率高（2W），可实现高轨（36000km）卫星及白天卫星测距。

4、本发明输出激光脉冲信噪比高（>10²），可提高卫星测距***探测的准确率。

附图说明

图1是本发明光路图结构示意图；

图2是再生放大器增益单元结构示意图图；

具体符号说明如下：

1-激光二极管 2-自聚焦透镜

3-激光晶体 4-凹面反射镜A1

5-平面反射镜A1 6-平面输出镜

7-平面反射镜A2 8-凹面反射镜A2

9-SESAM 10-45°反射镜A

11-45°反射镜B 12-偏振片B1

13-半波片 14-法拉第旋光器

15-偏振片B2 16-λ/4波片B1

17-BBO普克尔盒 18-凸面反射镜B1

19-偏振片B3 20-增益单元

20a-半导体激光二极管巴条 20b-激光晶体B

21-λ/4波片B2 22-透镜

23-凸面反射镜B2 24-45°反射镜C

25-倍频晶体 26-45°透反镜C1

27-45°透反镜C2

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，本发明提供了一种卫星测距用kHz皮秒激光器，其包括：锁模激光器单元，用于输出皮秒种子激光，其中输出光为水平偏振光；再生放大器单元，用于对种子激光脉冲能量进行放大；倍频单元，用于对基频光进行倍频，其中入射光波长为1064nm，出射光波长为532nm。

如图1所示，本发明中的锁模激光器单元包括激光二极管泵浦光源1、自聚焦透镜2、激光晶体3、凹面反射镜4、平面反射镜5、平面输出镜6、平面反射镜7、凹面反射镜8和锁模元件SESAM9，上述元件沿振荡光方向依次设置，出射光经过输出镜6后由45°反射镜10和11反射进再生放大器单元中。

如图1所示，本发明中的再生放大器单元包括偏振片12、半波片13和法拉第光学旋转器14构成了再生放大器种子光导入和放大光导出装置；凸面反射镜18和23构成再生放大器谐振腔的两个腔镜；水平偏振的种子光经偏振片12、半波片13和法拉第光学旋转器14后，仍为水平偏振，经偏振片15导入再生放大谐振腔；光经过λ/4波片16和普克尔盒17（此时普克尔盒上电压为0），到达凸面反射镜18后被全反射，再一次通过λ/4波片15和普克尔盒17（此时普克尔盒17上电压为0），其偏振方向变为垂直偏振光，被偏振片15和偏振片19反射，并通过由激光晶体B20b、半导体激光二极管阵列20a组成的增益单元20被放大，同时热致双折射效应和热透镜效应分别被λ/4波片21和透镜22补偿。给普克尔盒17上加λ/4波长电压并调节第一延时时间，选出单一种子光脉冲，然后调节第二延时时间控制所选出的种子光在谐振腔内往返次数，每次通过增益单元20种子光既被放大一次，其往返次数由增益以及谐振腔损耗决定，当达到增益饱和，光从增益单元20出射后，撤掉普克尔盒上所加λ/4波长电压，经偏振片19和15反射，射向λ/4波片16、普克尔盒17后，被凸面反射镜18反射又一次通过λ/4波片16，垂直偏振光变为水平偏振经偏振片15透射，此时被导入的种子光完成了腔内的放大过程。放大后的水平偏振光经法拉第光学旋转器14、半波片13，其偏振态被旋转，变为垂直偏振光，被偏振片12反射，最终完成了放大光的导出。

如图1所示，本发明中的倍频单元包括倍频晶体，将入射的1064nm基频光经倍频晶体的非线性效应转换为532nm光，通过反532nm透1064nm的45°反射镜26和27完成532nm光的输出。

当然，采用上述优选技术方案只是为了便于理解而对本发明进行的举例说明，本发明还可有其他实施例，本发明的保护范围并不限于此。在不背离本发明精神及其实质的情况下，所属技术领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims

1.卫星测距用kHz绿光皮秒激光器，其特征在于，包括：

倍频单元，用于将1064nm波长变换为532nm波长。

2.根据权利要求1所述的卫星测距用kHz绿光皮秒激光器，其特征在于，所述全固态Nd:YVO₄-SESAM锁模激光器单元包括沿着光路依次设置的激光二极管（1）、自聚焦透镜（2）、激光晶体A（3）、腔镜单元，激光二极管（1）和激光晶体A（3）通过半导体制冷器控制温度，控温精度小于±0.2°C。

3.根据权利要求2所述的卫星测距用kHz绿光皮秒激光器，其特征在于，所述全固态Nd:YVO₄-SESAM锁模激光器中腔镜单元包括沿振荡光方向依次设置的凹面反射镜A1（4）、平面反射镜A1（5）、平面输出镜（6）、平面反射镜A2（7）、凹面反射镜A2（8）和SESAM锁模元件（9）；凹面反射镜A1(4)和凹面反射镜A2(8)入射光反射光之间夹角小于8°；平面反射镜A1（5）和平面反射镜A2（7）入射光反射光之间夹角小于20°；凹面反射镜A1(4)距激光晶体A（3）的距离等于凹面反射镜A1(4)的曲率半径；凹面反射镜A2(8)距SESAM锁模元件（9）的距离等于凹面反射镜A2(8)的曲率半径；平面输出镜（6）输出种子光。

4.根据权利要求2所述的卫星测距用kHz绿光皮秒激光器，其特征在于，所述全固态Nd:YVO₄-SESAM锁模激光器单元输出光偏振态为水平偏振光。

5.根据权利要求1所述的卫星测距用kHz绿光皮秒激光器，其特征在于，所述全固态kHz Nd:YAG再生放大器单元沿光路依次设置的由偏振片B1（12）、半波片（13）、法拉第旋光器（14）、偏振片B2（15）、四分之一波片B1（16）、普克尔盒（17）、凸面反射镜B1（18），光经凸面反射镜B1（18）的反射反射回路上沿依次设置普克尔盒（17）、四分之一波片B1（16）、偏振片B2（15）、偏振片B3（19）、增益单元（20）、四分之一波片B2（21）、光阑（22）和凸面反射镜B2（23），偏振片B1（12）、B2（15）、B3（19）按入射角等于56°±1°放置，半波片（13）光轴与水平偏振入射光电矢量振动面夹角成22.5°角放置，四分之一波片B1（16）光轴与水平偏振入射光电矢量振动面成45°角放置，四分之一波片B2（21）光轴与垂直偏振入射光电矢量振动面成0°角放置，全固态Nd:YVO₄-SESAM锁模激光器单元输出的水平偏振种子光经45°反射镜A（10）和45°全反镜B（11）反射进入全固态kHz Nd:YAG再生放大器单元，偏振片B1（12）将再生放大光导出。

6.根据权利要求5所述的卫星测距用kHz绿光皮秒激光器，其特征在于，所述增益单元（20）由脉冲（1-2kHz工作频率）半导体激光巴条（20a）和激光晶体B（20b）构成，激光晶体B（20b）位于半导体激光巴条（20a）中心，半导体激光巴条（20a）按120°角或60°角分布放置，增益单元由循环水冷却并控温，控温精度小于±0.5°C。

7.根据权利要求5所述的卫星测距用kHz绿光皮秒激光器，其特征在于，所述再生放大器谐振腔是由凸面反射镜B1（18）和凸面反射镜B2（23）构成的双凸反射镜腔。

8.根据权利要求1所述的卫星测距用kHz绿光皮秒激光器，其特征在于，所述倍频单元由沿光路依次设置的45反射镜B（24）、LBO倍频晶体、45°透-反镜C1（26）和45°透-反镜C2（27）构成。

9.根据权利要求8所述的卫星测距用kHz绿光皮秒激光器，其特征在于，所述倍频晶体为I类1064-532nm相位匹配LBO晶体或温度相位匹配LBO晶体。

10.根据权利要求8所述的卫星测距用kHz绿光皮秒激光器，其特征在于，所述倍频单元两个45°透-反镜C1（26）和C2（27），镀有532nm高反膜和1064nm高透膜，最后532nm光由45°透-反镜C2（27）反射输出。