CN114744478B - 适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源*** - Google Patents

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Abstract

一种适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源***，该激光光源***包括：泵浦激光源装置，适用于产生第一泵浦激光和第二泵浦激光，所述第一泵浦激光和所述第二泵浦激光为脉冲激光；种子光产生装置，适用于产生最终种子激光，其中，所述最终种子激光为单频连续激光，所述最终种子激光的波长范围为1082‑1084nm，所述最终种子激光的波长大于所述第一泵浦激光的波长和所述第二泵浦激光的波长，所述第二泵浦激光和所述最终种子激光在空间耦合；光学参量生成装置，适用于根据部分所述第二泵浦激光和部分所述最终种子激光得到信号光和闲频光。

Description

适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源***
技术领域
本发明涉及光学仪器中的激光器领域，特别涉及适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源***。
背景技术
氦（He）在热层是非常重要的大气元素，热层中亚稳态He原子［He（23S）］主要由基态He原子和高能光电子直接碰撞产生，1997年，Gerrard首次提出自然存在的He可作为热层的有效散射体，可通过调谐至该原子共振频率的激光(1083nm)探测亚稳态He背向散射荧光，获得200-1000km高空温度、风向、密度等大气参数。氦共振荧光激光雷达具有在热层和外逸层进行突破性测量的潜力。
氦共振荧光激光雷达需要具有高功率（10–100W）、窄带宽（<1MHz）、小发散角（<1mrad）的激光光源，光源可以为连续激光光源或脉冲激光光源。其中连续激光光源是将窄线宽种子激光器输出的1083nm连续激光通过多级掺镱放大器进行放大，激光功率较低，且因为无法以收到回波信号的时间先后来确定对应信号，故需要具有较多像素的光敏面以实现一定的距离分辨能力，但在高度上距离分辨能力较差，同时连续激光雷达的成像方式对于距离、角度的准确度有很高的要求，实现起来难度高。连续激光雷达***单列像素元的信噪比较差，冬季信号信噪比最高不到10，夏季信号信噪比最高不到0.1。与连续激光雷达***对比，冬季时，脉冲激光雷达***信噪比最高可以达到300，夏季时，由于亚稳态氦原子密度较低，信噪比能仍达到13左右，皆满足有效观测对信噪比大于10的要求。因此脉冲激光雷达***更具优势，但现无商品化高能脉冲1083nm激光光源。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源***，以期至少部分地解决上述提及的技术问题。
为实现上述目的，作为本发明一个方面提供了一种适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源***，包括：
泵浦激光源装置，适用于产生第一泵浦激光和第二泵浦激光，第一泵浦激光和第二泵浦激光为脉冲激光；
种子光产生装置，适用于产生最终种子激光，其中，最终种子激光为单频连续激光，最终种子激光的波长范围1082-1084nm，最终种子激光的波长大于第一泵浦激光的波长和第二泵浦激光的波长，第二泵浦激光和最终种子激光在空间耦合；
光学参量生成装置，适用于根据部分第二泵浦激光和部分最终种子激光得到信号光和闲频光，其中，第二泵浦激光的相位等于闲频光的相位与信号光的相位之和，信号光的波长与最终种子激光的波长相同；
多级光参量放大装置，适用于基于第一泵浦激光、来自于光学参量生成装置的另一部分第二泵浦激光和闲频光的强度进行光参量放大，得到波长范围为1082-1084nm且适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源。
可选地，第一泵浦激光和第二泵浦激光的脉冲宽度相同。
可选地，第一泵浦激光、第二泵浦激光、最终种子激光和信号光在第一方向上偏振，闲频光在垂直于第一方向的第二方向上偏振。
可选地，泵浦激光源装置包括：
泵浦光产生单元，适用于产生第一泵浦激光和第三泵浦激光，其中，第三泵浦激光为脉冲激光；
倍频单元，适用于使第三泵浦激光发生倍频，得到第二泵浦激光。
可选地，泵浦光产生单元包括：
掺钕钇铝石榴石激光器激光器激光器，适用于产生第一初始泵浦激光和第三初始泵浦激光；
偏振及放大模块，适用于对第一初始泵浦激光的偏振方向进行筛选以及对第一初始泵浦激光的光斑进行放大，得到第一泵浦激光；
偏振及缩小模块，适用于对第三初始泵浦激光的偏振方向进行筛选以及对第三初始泵浦激光的光斑进行缩小，得到第三泵浦激光。
可选地，光学参量生成装置包括：
第一磷酸钛氧钾（即KTP）晶体，根据部分第二泵浦激光和部分最终种子激光得到信号光和闲频光；
第一双色镜，适用于对信号光、闲频光以及另一部分最终种子激光进行反射，以及对另一部分第二泵浦光进行透射；
第一偏振分束立方体，适用于对闲频光进行反射以及对信号光进行透射，其中，信号光和另一部分最终种子激光被光能量收集器收集；
合束单元，适用于将闲频光和另一部分第二泵浦激光合束。
可选地，多级光参量放大装置包括一级光参量放大单元和二级光参量放大单元；
一级光参量放大单元包括：
第二磷酸钛氧钾晶体，适用于利用另一部分第二泵浦激光对闲频光的光学参量进行放大，得到包括一级放大激光的第一混合激光，一级放大激光的波长与最终种子激光的波长相同，一级放大激光为水平偏振激光；
第一滤光模块，适用于对第一混合激光进行过滤，得到一级放大激光；
光斑增大模块，适用于放大一级放大激光的光斑，以及将光斑放大后的一级放大激光与第一泵浦激光耦合；其中，光斑放大后的一级放大激光与第一泵浦激光的光斑大小相同；
二级光参量放大单元包括：
第三磷酸钛氧钾晶体，适用于利用第一泵浦激光对光斑放大后的一级放大激光的光学参量进行放大，得到包括用于氦共振荧光激光雷达的激光光源的第二混合激光；
第二滤光模块，适用于对第二混合激光进行过滤，得到波长范围为1082-1084nm且适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源。
可选地，种子光产生装置包括：
半导体激光器，适用于产生初始种子激光，初始种子激光为波长范围为1082-1084nm的连续激光；
偏振单元，适用于对初始种子激光的偏振方向进行筛选，得到最终种子激光。
可选地，上述激光光源***，还包括：
控制装置，适用于对光学参量生成装置、多级光参量放大装置进行控制。
可选地，第一磷酸钛氧钾晶体尺寸为12mm*10mm*30mm，其中12mm*10mm的两个面为通光面，第一磷酸钛氧钾晶体的通光面均镀有宽带增透膜，第一磷酸钛氧钾晶体主轴平面为水平面，切割角均为90度和10.3度，采用第Ⅱ类相位匹配。
可选地，第二磷酸钛氧钾晶体的尺寸为12mm*10mm*30mm，其中12mm*10mm的两个面为通光面，第二磷酸钛氧钾晶体的通光面均镀有宽带增透膜，第二磷酸钛氧钾晶体的主轴平面为水平面，切割角为90度和10.3度，采用第Ⅱ类相位匹配；
第三磷酸钛氧钾晶体的尺寸为18mm*18mm*15mm，其中18mm*18mm的两个面为通光面，第三磷酸钛氧钾晶体的通光面均镀有宽带增透膜，第三磷酸钛氧钾晶体的主轴平面为水平面，切割角为90度和10.3度，采用第Ⅱ类相位匹配。
利用泵浦激光源装置产生波长大于最终种子激光的第一泵浦激光和第二泵浦激光，第二泵浦激光和最终种子激光耦合，得到耦合激光，该耦合激光的一部分经光学参量生成装置生成信号光和闲频光，并且满足第二泵浦光的相位等于闲频光的相位与信号光的相位之和，该耦合激光的另一部分中的第二泵浦激光和第一泵浦激光通过多级光参量放大装置对耦合激光的另一部分中的闲频光的强度进行多级放大，最终可以得到用于氦共振荧光激光雷达的激光光源，该用于氦共振荧光激光雷达的激光光源的脉冲能量可达到百毫焦量级。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例提供的适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源***的框图；
图2示意性示出了根据本发明的实施例提供的泵浦激光源装置和多级光参量放大装置的框图；以及
图3示意性示出了根据本发明的实施例提供的激光光源***各部分的组成图。
附图标记
1-泵浦激光源装置；
11-泵浦光产生单元；
111-Nd:YAG激光器；
112-偏振及放大模块；
1121-第一532nm高反射镜；1122-第二偏振分束立方体；
1123-第二532nm高反射镜；1124-第三532nm高反射镜；
1125-第一平凹透镜；1126-第一平凸透镜；
113-偏振及缩小模块；
1131-第三偏振分束立方体；1132-第一半波片；
1133-第四偏振分束立方体；1134-第一1064nm高反射镜；
1135-第二平凸透镜；1136-第二平凹透镜；1137-第二半波片；1138-第二1064nm高反射镜；
12-倍频单元；
121-第四KTP晶体；122-第三半波片；
123-第五偏振分束立方体；124-第二双色镜；
125-第三平凸透镜；126-第三平凹透镜；
127-第四532nm高反射镜；128-第三双色镜；
2-种子光产生装置；
21-半导体激光器；
22-偏振单元；
221-光隔离器；222-第四半波片； 223-第六偏振分束立方体；
224-第三1064nm高反射镜；
3-光学参量生成装置；
31-第一KTP晶体；32-第一双色镜；34-第一偏振分束立方体；
38-光能量收集器；
39-合束单元；
391-第五532nm高反射镜；392-第六532nm高反射镜；
393-第七偏振分束立方体；394-第四双色镜；
4-多级光参量放大装置；
41-一级光参量放大单元；
411-第二KTP晶体；
412-第一滤光模块；
4121-第一长波通滤色镜；
4122-第八偏振分束立方体；
413-光斑增大模块；
4131-第四1064nm高反射镜；4132-第四平凹透镜；
4133-第四平凸透镜；4134-第五1064nm高反射镜；
4135-第五双色镜；
42-二级光参量放大单元；
421-第三KTP晶体；
422-第二滤光模块；
4221-第二长波通滤色镜；4222-第九偏振分束立方体；
5-控制装置。
具体实施方式
为了克服现有连续氦共振荧光激光雷达光源功率较低，填补高能脉冲氦共振荧光激光雷达光源的空缺。本发明提供一种基于非线性晶体的二次谐波、光学参量产生、光学参量放大的高能量纳秒脉冲可调谐激光光源，易于实现对200-1000km高空的大气监测。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1示意性示出了根据本发明实施例提供的适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源***的方框图。
如图1所示，适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源***包括：泵浦激光源装置1、种子光产生装置2、光学参量生成装置3、多级光参量放大装置4。
泵浦激光源装置1适用于产生第一泵浦激光和第二泵浦激光，第一泵浦激光和第二泵浦激光为脉冲激光。
种子光产生装置2适用于产生最终种子激光，其中，最终种子激光为单频连续激光，最终种子激光的波长范围为1082-1084nm，最终种子激光的波长大于第一泵浦激光和第二泵浦激光的波长，第二泵浦激光和最终种子激光在空间耦合。
光学参量生成装置3适用于根据部分第二泵浦激光和部分最终种子激光得到信号光和闲频光，其中，第二泵浦光的相位等于闲频光的相位与信号光的相位之和，信号光的波长与最终种子激光的波长相同。
多级光参量放大装置4适用于基于第一泵浦激光、来自于光学参量生成装置的另一部分第二泵浦激光和闲频光进行光参量放大，得到波长范围为1082-1084nm且适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源。
根据本发明的实施例，该激光光源***，还包括：控制装置5，适用于对所述光学参量生成装置3、所述多级光参量放大装置4进行控制。
根据本发明的实施例，第一泵浦激光和第二泵浦激光的脉冲宽度相同，因此，更加容易实现第一泵浦激光和第二泵浦激光在时间上的脉冲匹配。
根据本发明的实施例，第一泵浦激光、第二泵浦激光、最终种子激光和信号光在第一方向上偏振，闲频光在垂直于第一方向的第二方向上偏振，例如，第一方向可以为水平方向，第二方向可以为竖直方向。
以第一泵浦激光、第二泵浦激光、最终种子激光和信号光为水平偏振光（即偏振方向为水平方向），闲频光为竖直偏振光为例（即偏振方向为竖直方向），对本发明的实施例提供的激光光源***各部分的组成进行说明。
图2示意性示出了根据本发明的实施例提供的泵浦激光源装置和多级光参量放大装置的框图。
图3示意性示出了根据本发明的实施例提供的激光光源***各部分的组成图。
如图2-3所示，泵浦激光源装置1包括：泵浦光产生单元11和倍频单元12。
泵浦光产生单元11适用于产生第一泵浦激光和第三泵浦激光。其中，第三泵浦激光为脉冲激光。倍频单元12适用于使第三泵浦光发生倍频，得到第二泵浦激光。
泵浦光产生单元11包括：掺钕钇铝石榴石激光器激光器（即Nd:YAG激光器111）、偏振及放大模块112、偏振及缩小模块113。
Nd:YAG激光器111适用于产生第一初始泵浦光和第三初始泵浦光。Nd:YAG激光器111为脉冲重复频率50Hz、脉冲宽度6ns、光斑直径10mm的激光器，该激光器通过半导体泵浦工作物质、内部倍频晶体实现一次倍频。泵浦激光源装置1输出的第一初始泵浦光为波长为532nm的激光，第三初始泵浦光为波长为1064nm的激光，第一初始泵浦光和第三初始泵浦光作为后续***非线性光学转换过程的泵浦源。
偏振及放大单元112用于对第一初始泵浦光的偏振方向进行筛选以及对第一初始泵浦光的光斑进行放大，得到第一泵浦激光。偏振及放大模块112包括：沿光路依此设模块置的第一532nm高反射镜1121、第二偏振分束立方体1122、第二532nm高反射镜1123、第三532nm高反射镜1124、第一平凹透镜1125、第一平凸透镜1126。
第一532nm高反射镜1121用于改变第一初始泵浦光（即波长为532nm泵浦光）的方向。第二偏振分束立方体1122用于将上述波长为532nm泵浦光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，得到波长为532nm的水平偏振光。第二532nm高反射镜1123、第三532nm高反射镜1124用于改变上述波长为532nm的水平偏振光的方向。第一平凹透镜1125和第一平凸透镜1126配合使用组成伽利略望远镜***，用于改变波长为532nm的水平偏振光的光斑尺寸，得到第一泵浦光，此处光斑尺寸由10mm扩大至15mm，第一平凹透镜1125和第一平凸透镜1126的平面部分相对平行设置且其之间的距离为第一平凹透镜1125和第一平凸透镜1126的焦距之和。
偏振及缩小模块113，适用于对第三初始泵浦激光的偏振方向进行筛选以及对第三初始泵浦激光的光斑进行缩小，得到第三泵浦激光。偏振及缩小模块113包括沿着光路依次设置的第三偏振分束立方体1131、第一半波片1132、第四偏振分束立方体1133、第一1064nm高反射镜1134、第二平凸透镜1135、第二平凹透镜1136、第二半波片1137、第二1064nm高反射镜1138。
偏振分束立方体1131用于上述Nd:YAG激光器111输出的第三初始泵浦激光（波长为1064nm的激光）的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，得到波长为1064nm的水平偏振光，以达到过滤上述激光不同偏振成分的目的。第一半波片1132用于旋转上述波长为1064nm的水平偏振光的偏振方向。第四偏振分束立方体1133用于再一次将第一半波片1132输出的偏振光的水平成分和竖直偏振成分分开，最终得到波长为1064nm的水平偏振光，进而保证进入后续激光***中激光的偏振方向的单一。第一半波片1132和第四偏振分束立方体1133可以达到连续改变第二初始泵浦激光能量的目的。第一1064nm高反射镜1134用于改变上述波长为1064nm的水平偏振光的方向。第二平凸透镜1135与第二平凹透镜1136配合使用组成伽利略望远镜***，用于改变上述波长为1064nm的水平偏振光的光斑尺寸，此处光斑尺寸由10mm缩小至5mm。第二平凸透镜1135和第二平凹透镜1136的平面部分相对平行设置且其之间的距离为第二平凸透镜1135和第二平凹透镜1136的焦距之和。第二半波片1137用于旋转光斑尺寸为5mm的波长为1064nm的水平偏振光的偏振方向，得到45°线偏振光（波长为1064nm）。第二1064nm高反射镜1138用于改变45°线偏振光方向，得到第三泵浦激光。
倍频单元12包括：沿光路依次设置的第四磷酸钛氧钾晶体（即第四KTP晶体121）、第三半波片122、第五偏振分束立方体123、第二双色镜124、第三平凸透镜125、第三平凹透镜126、第四532nm高反射镜127、第三双色镜128。
本发明实施例中的倍频单元12为基于非线性光学的二次谐波效应，将上述偏振及缩小模块113中第三泵浦激光（波长为1064nm）泵浦光进行二次倍频。
第四KTP晶体121，用于将第三泵浦激光发生二次倍频，得到波长为532nm的45°偏振光。第四KTP晶体121的尺寸为12mm*12mm*7mm，其中12mm*12mm的两个面为通光面，通光面均镀有宽带增透膜，主轴平面为XY面，切割角为θ=90度和φ=23.6度，采用第Ⅱ类相位匹配。第三半波片122用于旋转上述第四KTP晶体121输出波长为532nm激光的线偏振方向。第五偏振分束立方体123用于将上述波长为532nm激光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，得到水平偏振光，第三半波片122和第五偏振分束立方体123达到连续改变上述波长为532nm激光能量的目的，同时满足光学参量生成装置3对上述532nm激光水平偏振方向的要求。第二双色镜124凭借对波长为532nm激光大于95%的反射率，对波长为1064nm激光大于95%的透射率用于将第四KTP晶体121中波长为1064nm泵浦光与532nm倍频光分离，剩余的波长为1064nm激光由一个光能收集器38收集。第三平凸透镜125和第三平凹透镜126配合使用组成伽利略望远镜***，用于改变泵浦光的光斑尺寸，此处光斑尺寸由10mm缩小至5mm。由第三平凸透镜125和第三平凹透镜126的平面部分相对平行设置且其之间的距离为第三平凸透镜125和第三平凹透镜126的焦距之和。第四532nm高反射镜127用于改变上述波长为532nm激光的方向，得到第二泵浦激光，第二泵浦激光波长为352nm，偏振方向为水平偏振。第三双色镜128用于将第二泵浦激光和最终种子激光进行空间的耦合，得到耦合激光；第三双色镜128性质是对波长为532nm激光的透射率大于95%，对波长为1064nm激光反射率高于99%。
根据本发明的实施例，种子光产生装置2包括：半导体激光器21和偏振单元22。
半导体激光器21适用于产生初始种子激光，半导体激光器21为（1082-1084）nm可调谐激光器。（1082-1084）nm可调谐激光器是蝶形封装带有保偏光线的半导体激光器，输出100mW单频连续波长为（1082-1084）nm的种子激光。初始种子激光为连续激光。偏振单元22适用于根据初始种子激光的偏振方向进行筛选，得到最终种子激光。
偏振单元22包括沿着光路依次设置的光隔离器221、第四半波片222、第六偏振分束立方体223、第三1064nm高反射镜224。
以半导体激光器21输出的初始种子激光为1083nm种子激光为例，光隔离器221基于磁光效应，仅允许光在一个方向通过，阻止背向反射光进入半导体激光器21。半波片222用于旋转上述1083nm种子激光线偏振方向，保证上述波长为1083nm种子激光偏振方向为水平偏振方向。第六偏振分束立方体223用于将上述波长为1083nm种子激光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，同时满足多级光参量放大装置4相位匹配对波长为1083nm初始种子激光水平偏振方向要求。第三1064nm高反射镜224用于改变波长为1083nm种子激光的方向，得到最终种子激光，最终种子激光的波长为1083nm的水平偏振光，最终种子激光为连续激光。
根据本发明的实施例，光学参量生成装置3包括：第一磷酸钛氧钾晶体（即第一KTP晶体31）、第一双色镜32、第一偏振分束立方体34、光能量收集器38、合束单元39。
第一KTP晶体31，用于根据部分第二泵浦激光和部分最终种子激光得到所述信号光和所述闲频光。信号光为波长为1083nm的水平偏振光，闲频光为波长为1045nm的竖直偏振光，闲频光为脉冲光。
第一双色镜32适用于对信号光、闲频光以及另一部分最终种子激光进行反射，以及对另一部分中第二泵浦光进行透射。第一偏振分束立方体34适用于对闲频光进行反射以及对信号光进行透射，其中，信号光和耦合激光的另一部分中的最终种子激光被光能量收集器38收集。
第一KTP晶体31，其尺寸为12mm*10mm*15mm，其中12mm*10mm的两个面为通光面，通光面均镀有宽带增透膜，主轴平面为XY面（水平面），切割角为θ=90度和φ=10.3度，采用第Ⅱ类相位匹配。
第一双色镜32性质是对532nm激光的透射率大于95%，对1064nm激光反射率高于99%。
合束单元39，适用于将闲频光和另一部分第二泵浦光合束。合束单元39包括第五532nm高反射镜391、第六532nm高反射镜392、第七偏振分束立方体393、第四双色镜394。
第五532nm高反射镜391和第六532nm高反射镜392用于连续改变耦合激光的另一部分中的第二泵浦光（波长为532nm）的方向。第七偏振分束立方体393用于改变上述波长为1045nm闲频光的方向，同时可保证波长为1083nm信号光与波长为1045nm闲频光彻底分离。第四双色镜394用于将上述波长为532nm泵浦光、波长为1045nm闲频光进行空间的耦合，其性质是对波长为532nm激光的透射率大于95%，对波长为1064nm激光的反射率高于99%。
基于以上设计，即利用第一偏振分束立方体34对闲频光进行反射以及对信号光进行透射，利用第七偏振分束立方体393改变波长为1045nm闲频光的方向，同时可保证波长为1083nm信号光与波长为1045nm闲频光彻底分离，如此，可使下游高能脉冲波长为1083nm的激光无法逆着光路返回上游1083nm种子光产生装置2中，保护了种子光产生装置2的半导体激光器21。
根据本发明的实施例，多级光参量放大装置4包括一级光参量放大单元（一级OPA单元）41和二级光参量放大单元（二级OPA单元）42。一级光参量放大单元41包括：第二磷酸钛氧钾晶体（即第二KTP晶体411）、第一滤光模块412、光斑增大模块413。
第二KTP晶体411，适用于利用另一部分第二泵浦激光对闲频光的光学参量进行放大，得到包括一级放大激光的第一混合激光，一级放大激光的波长与最终种子激光的波长相同，一级放大激光为水平偏振激光，即一级放大激光为1083nm的水平偏振激光。第二KTP晶体411，其尺寸为12mm*10mm*15mm，其中12mm*10mm的两个面为通光面，通光面均镀有宽带增透膜，主轴平面为XY面，切割角为θ=90度和φ=10.3度，采用第Ⅱ类相位匹配。
第一滤光模块412，适用于对第一混合激光进行过滤，得到一级放大激光。光斑增大模块413，适用于放大一级放大激光的光斑，以及将光斑放大后的一级放大激光与第一泵浦激光耦合，其中，光斑放大后的一级放大激光与第一泵浦激光的光斑大小相同。
第一滤光模块412包括：第一长波通滤色镜4121、第八偏振分束立方体4122。第一长波通滤色镜4121用于过滤残余波长为532nm的泵浦光。第八偏振分束立方体4122将来自第二KTP晶体411输出的激光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，基于一级放大激光与上述波长为1045nm闲频光偏振不同，将一级放大激光与波长为1045nm闲频光分离，得到一级放大激光。
光斑增大模块413包括：第四1064nm高反射镜4131、第四平凹透镜4132、第四平凸透镜4133、第五1064nm高反射镜4134、第五双色镜4135。
第四1064nm高反射镜4131用于改变一级放大激光（波长为1083nm）的方向。第四平凹透镜4132与第四平凸透镜4133配合使用组成伽利略望远镜***，用于改变一级放大激光的光斑尺寸，此处光斑尺寸由5mm扩大至15mm，第四平凹透镜4132和第四平凸透镜4133的平面部分相对平行设置且其之间的距离为第四平凹透镜4132和第四平凸透镜4133的焦距之和。第五1064nm高反射镜4134用于改变一级放大激光的方向。第五双色镜4135用于将来自泵浦激光源装置1的波长为532nm第一泵浦激光和来自（一级OPA）装置的波长为1083nm一级放大激光在空间进行耦合。第五双色镜4135性质是对波长为532nm激光有大于95%的反射率、对波长为1064nm激光有大于95%的透射率。
根据本发明的实施例，二级光参量放大装置42包括：第三磷酸钛氧钾晶体（即第三KTP晶体421）和第二滤光模块422。第三KTP晶体421适用于利用第一泵浦激光对光斑放大后的一级放大激光的光学参量进行放大，得到包括用于氦共振荧光激光雷达的激光光源的第二混合激光。第三KTP晶体421尺寸为18*18*15mm，其中18*18mm的两个面为通光面，通光面均镀有宽带增透膜，主轴平面均XY面，切割角为θ=90度和φ=10.3度，采用第Ⅱ类相位匹配。
第二滤光模块422适用于对第二混合激光进行过滤，得到用于氦共振荧光激光雷达的激光光源。
第二滤光模块422包括：第二长波通滤色镜4221和第九偏振分束立方体4222。第二长波通滤色镜4221用于过滤残余波长为532nm的泵浦光。第九偏振分束立方体4222将来自第三KTP晶体421输出的激光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，基于第三KTP晶体421输出的用于氦共振荧光激光雷达的激光光源（波长为1083nm）与波长为1045nm闲频光偏振不同，将用于氦共振荧光激光雷达的激光光源与波长为1045nm闲频光分离。
根据本发明的实施例，上述激光光源***还包括：控制装置5，适用于对光学参量生成装置3、多级光参量放大装置4进行控制。控制装置5用于实时监控第一KTP晶体31、第二KTP晶体411、第三KTP晶体421和第四KTP晶体121的温度，保证各个KTP晶体处在最佳工作状态。同时基于电脑Kinesis软件控制控制装置5中的精密电动旋转位移台转动，实现波长的实时在线定位。
根据本发明的实施例，在保证泵浦激光功率密度不大于非线性光学晶体和各光学元件损伤阈值的前提下，尽可能提高泵浦激光的功率密度，提高非线性光学转换的能量转换效率。
根据本发明的实施例，在保证泵浦激光功率密度不明显降低的情况下，通过调控泵浦光光斑尺寸获得大光斑直径，即从10mm增大到15mm从而提高单脉冲泵浦能量和输出脉冲能量。
根据本发明的实施例，在保证不出现逆向非线性光学转换（即信号光与闲频光逆向和频转换为泵浦光）的前提下采用大尺寸（光程长度）非线性光学晶体，提高非线性光学转换过程的光能增益，并压缩输出激光的光谱线宽。在保证激光功率密度未明显降低的情况下采用大横截面积的非线性光学晶体，提高泵浦光斑直径的上限，从而提高单脉冲泵浦能量和输出脉冲能量。
根据本发明的实施例，磷酸钛氧钾晶体（KTiOPO4，KTP）会有非线性系数下降的现象，可通过加热消除这种不利影响。故利用控制装置5对KTP晶体进行80℃控温，保证KTP处于最佳工作状态，有效提高非线性光学转换的能量转换效率。
根据本发明的实施例，基于***中信号光是波长为1083nm的水平线偏振光，利用第一偏振分束立方体34、光能量收集器38和第七偏振分束立方体393能够保证下游高能脉冲1083nm水平激光无法逆着光路返回种子光产生装置2，保证整套设备长久、稳定运行。
根据本发明的实施例，脉冲光激光雷达中天空背景噪声和探测器暗电流噪声均低于连续光激光雷达，冬季和夏季脉冲光激光雷达的信噪比都比连续光激光雷达高约一个量级。但现无商品化高能量纳秒脉冲1083nm激光光源，本发明通过逐级放大提供了一种高能量纳秒脉冲1083nm激光光源。
本发明实施例基于上述技术方案采用波长532nm激光泵浦KTP非线性晶体，在倍频单元12利用波长为1064nm单脉冲能量250mJ泵浦激光、7mm的泵浦激光光斑直径获得了波长为532nm单脉冲能量达到120mJ的输出激光，获得的总能量转换效率达到48%。在光学参量生成装置3利用波长为532nm单脉冲能量90mJ激光和波长为1083nm功率98mw激光脉冲能量、5mm的泵浦激光光斑直径获得了脉冲波长为1045nm激光，上述波长为1045nm激光再经过一级光参量放大单元41获得波长为1083nm单脉冲能量达9.7mJ的输出激光，获得的总能量转换效率达到10.3%。在二级光参量放大单元42利用波长为532nm单脉冲能量400mJ+波长为1083nm单脉冲能量9mJ激光、15mm的泵浦激光光斑直径获得了波长为1083nm单脉冲能量达150mJ的输出激光，获得的总能量转换效率达到37.5%。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源***，包括：
泵浦激光源装置，适用于产生第一泵浦激光和第二泵浦激光，所述第一泵浦激光和所述第二泵浦激光为脉冲激光；
种子光产生装置，适用于产生最终种子激光，其中，所述最终种子激光为单频连续激光，所述最终种子激光的波长范围为1082-1084nm，所述最终种子激光的波长大于所述第一泵浦激光的波长和所述第二泵浦激光的波长，所述第二泵浦激光和所述最终种子激光在空间耦合；
光学参量生成装置，适用于根据部分所述第二泵浦激光和部分所述最终种子激光得到信号光和闲频光，其中，所述第二泵浦激光的相位等于所述闲频光的相位与所述信号光的相位之和，所述信号光的波长与所述最终种子激光的波长相同；
多级光参量放大装置，适用于基于所述第一泵浦激光、来自于所述光学参量生成装置的另一部分所述第二泵浦激光和所述闲频光进行光参量放大，得到波长范围为1082-1084nm且适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源；
其中，所述第一泵浦激光、所述第二泵浦激光、所述最终种子激光和所述信号光在第一方向上偏振，所述闲频光在垂直于所述第一方向的第二方向上偏振，第一方向为水平方向，第二方向为竖直方向。
2.根据权利要求1所述的激光光源***，其中，所述第一泵浦激光和所述第二泵浦激光的脉冲宽度相同。
3.根据权利要求2所述的激光光源***，其中，所述泵浦激光源装置包括：
泵浦光产生单元，适用于产生所述第一泵浦激光和第三泵浦激光，其中，所述第三泵浦激光为脉冲激光；
倍频单元，适用于使所述第三泵浦激光发生倍频，得到所述第二泵浦激光。
4.根据权利要求3所述的激光光源***，其中，所述泵浦光产生单元包括：
掺钕钇铝石榴石激光器，适用于产生第一初始泵浦激光和第三初始泵浦激光；
偏振及放大模块，适用于对所述第一初始泵浦激光的偏振方向进行筛选以及对所述第一初始泵浦激光的光斑进行放大，得到所述第一泵浦激光；
偏振及缩小模块，适用于对所述第三初始泵浦激光的偏振方向进行筛选以及对所述第三初始泵浦激光的光斑进行缩小，得到所述第三泵浦激光。
5.根据权利要求2所述的激光光源***，其中，所述光学参量生成装置包括：
第一磷酸钛氧钾晶体，根据部分所述第二泵浦激光和部分所述最终种子激光得到所述信号光和所述闲频光；
第一双色镜，适用于对所述信号光、所述闲频光以及另一部分所述最终种子激光进行反射，以及对另一部分所述第二泵浦激光进行透射；
第一偏振分束立方体，适用于对所述闲频光进行反射以及对所述信号光进行透射，其中，所述信号光和另一部分所述最终种子激光被光能量收集器收集；
合束单元，适用于将所述闲频光和另一部分所述第二泵浦激光合束。
6.根据权利要求2所述的激光光源***，其中，所述多级光参量放大装置包括一级光参量放大单元和二级光参量放大单元；
所述一级光参量放大单元包括：
第二磷酸钛氧钾晶体，适用于利用另一部分所述第二泵浦激光对所述闲频光的光学参量进行放大，得到包括一级放大激光的第一混合激光，所述一级放大激光的波长与所述最终种子激光的波长相同，所述一级放大激光为水平偏振激光；
第一滤光模块，适用于对所述第一混合激光进行过滤，得到所述一级放大激光；
光斑增大模块，适用于放大所述一级放大激光的光斑，以及将光斑放大后的所述一级放大激光与所述第一泵浦激光耦合；其中，所述光斑放大后的所述一级放大激光与所述第一泵浦激光的光斑大小相同；
所述二级光参量放大单元包括：
第三磷酸钛氧钾晶体，适用于利用所述第一泵浦激光对所述光斑放大后的所述一级放大激光的光学参量进行放大，得到包括所述用于氦共振荧光激光雷达的激光光源的第二混合激光；
第二滤光模块，适用于对所述第二混合激光进行过滤，得到波长范围为1082-1084nm且适用于氦共振荧光激光雷达的激光光源。
7.根据权利要求2所述的激光光源***，其中，所述种子光产生装置包括：
半导体激光器，适用于产生初始种子激光，所述初始种子激光为波长范围为1082-1084nm的连续激光；
偏振单元，适用于对所述初始种子激光的偏振方向进行筛选，得到所述最终种子激光。
8.根据权利要求1所述的激光光源***，还包括：
控制装置，适用于对所述光学参量生成装置、所述多级光参量放大装置进行控制。
9.根据权利要求5所述的激光光源***，其中，
所述第一磷酸钛氧钾晶体的尺寸为12mm*10mm*30mm，其中，12mm*10mm的两个面为通光面，所述第一磷酸钛氧钾晶体的通光面均镀有宽带增透膜，所述第一磷酸钛氧钾晶体的主轴平面为水平面，切割角为90度和10.3度，采用第Ⅱ类相位匹配。
10.根据权利要求6所述的激光光源***，其中，所述第二磷酸钛氧钾晶体的尺寸为12mm*10mm*30mm，其中，12mm*10mm的两个面为通光面，所述第二磷酸钛氧钾晶体的通光面均镀有宽带增透膜，所述第二磷酸钛氧钾晶体的主轴平面为水平面，切割角为90度和10.3度，采用第Ⅱ类相位匹配；
所述第三磷酸钛氧钾晶体尺寸为18mm*18mm*15mm，其中，18mm*18mm的两个面为通光面，所述第三磷酸钛氧钾晶体的通光面均镀有宽带增透膜，所述第三磷酸钛氧钾晶体的主轴平面为水平面，切割角为90度和10.3度，采用第Ⅱ类相位匹配。
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