一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器。

背景技术

激光雷达是一种主动遥感探测技术。由于具有探测精度高分辨率高、可全天候工作、体积小重量轻等优势，激光雷达被广泛应用在测距、测绘、环境监测等方面。星载激光雷达是在卫星或者航天器上应用的激光雷达载荷，目前主要应用在激光测距、激光遥感等方面。星载激光雷达的核心是其探测光源空间激光器。由于应用环境的特殊性，空间激光器设计需综合考虑恶劣的空间环境、卫星资源有限、不可维修性等，在可靠性、环境适应性、重量、体积、功耗、元器件选用等方面特殊设计。

现有技术方案1，谐振腔采用正交保罗的U型腔，包括保罗棱镜、道威棱镜和保罗棱镜，其中采用道威棱镜折转光路。增益介质和电光Q开关分别放在反射臂和输出臂上，增益介质是板条结构晶体。泵浦方式采用脉冲激光二极管侧面泵浦。在发射臂上保罗棱镜前输入一个波片，用于调节反射率。在输出臂上，保罗棱镜前插入一个波片，用于调节反射率；在道威棱镜后插入一个二分之一波片，用于变化腔内激光的偏振态；插入布鲁斯特片和布鲁斯特片，用于实现调Q和偏振耦合输出。通过调节施加在电光Q开关上的电压可以调节腔内激光S光的比例，从而实现输出透过率的调节。电光Q开关工作电压较低，一般在千伏附近。

现有技术方案2，谐振腔采用正交保罗的Z型腔，包括保罗棱镜、偏振分光棱镜PBS、偏振分光棱镜PBS和保罗棱镜，其中PBS用来折转光路。增益介质和电光Q开关分别放在输出臂和反射臂上，增益介质可以选择棒状或者板条结构。泵浦方式采用脉冲激光二极管侧面泵浦。电光调Q开关工作在半波电压(约三千至四千伏)，反射臂上插入一个波片，用于调节有效反射率，输出臂上插入四分之一波片，用于调节耦合输出率。

现有技术方案1的不足之处，谐振腔采用了两个布鲁斯特片实现偏振激光输出，激光输出光路与谐振腔光轴不同轴，激光带角度输出，不利于小型化，激光器的体积较大，重量较重，占有较多卫星资源。

现有技术方案2的不足之处，电光Q开关工作在半波电压，约三千至四千伏。由于空间环境和星上元器件的限制，卫星上产品很难实现三四千伏的高压输出，技术难度太大，不适合星载产品应用。

发明内容

本发明是为了解决星载小型化激光输出的问题，提供一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器，采用正交保罗棱镜腔提高光路的稳定性，采用调节电光Q开关的电压实现谐振腔的输出耦合透过率调节并降低工作电压，采用两个PBS实现光路的折转，实现激光器小型化紧凑型。本发明可以实现大能量高稳定高可靠性的脉冲激光输出，减小激光器的体积和重量，适用于多平台应用，尤其是星载平台，可作为星载气溶胶探测激光雷达、星载测距激光雷达等探测光源。

本发明提供一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器，包括依次设置的用于输出高光束质量振荡光的主动调Q振荡器，用于将振荡光进行光束整形、一次功率放大后输出的预功率放大器，用于将振荡光进行光束整形、二次功率放大后输出激光的主功率放大器和用于生成双波长激光的倍频模块；

主动调Q振荡器为U型谐振腔，主动调Q振荡器包括依次设置的第一保罗棱镜、第一光楔、第一波片、板条晶体、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、电光Q开关、第二波片、第二光楔、第二保罗棱镜和设置在板条晶体上的泵浦二极管阵列，第一偏振分光棱镜与板条晶体的输出光路成45°，第二偏振分光棱镜与第一偏振分光棱镜的输出光路成45°，第一保罗棱镜与第二保罗棱镜的后棱正交放置，第一保罗棱镜与第二保罗棱镜均与光轴成45°。

本发明所述的一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器，作为优选方式，板条晶体使用铟焊连接在无氧铜热沉上；

第一光楔和第二光楔用于调节U型谐振腔内光路，泵浦二极管阵列发射出的泵浦光直接照射在板条晶体上，波片用于补偿第一保罗棱镜对入射的S偏振光引起的相位延迟，第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜用于进行光路转折，电光Q开关用于通过电压调节U型谐振腔的输出耦合透过率，第二波片用于补偿第二保罗棱镜对S偏振光引起的相位延迟，第二偏振分光棱镜用于形成激光振荡和输出振荡光至U型谐振腔外。

本发明所述的一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器，作为优选方式，预功率放大器包括依次设置的第一反射镜、隔离器、1/2波片、第二反射镜、第一光束整形镜组和预功率放大器模块；

第一反射镜与第二偏振分光棱镜的输出光路成45°，第二反射镜与1/2波片的输出光路成45°；

第一反射镜用于将主动调Q振荡器输出的振荡光反射至隔离器，隔离器用于防止预功率放大器产生的激光反向进入主动调Q振荡器，1/2波片用于调节经过隔离器后振荡光的相位；第一光束整形镜组用于将振荡光进行扩束整形再输出至预功率放大器模块；预功率放大器模块用于对振荡光进行一次功率放大并输出激光。

本发明所述的一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器，作为优选方式，主功率放大器包括依次设置的第二光束整形镜组、第三反射镜、第四反射镜和主功率放大器模块；

第三反射镜与第二光束整形镜组的输出光路成45°，第四反射镜与第三反射镜的输出光路成45°；

第二光束整形镜组用于将预功率放大器模块输出的激光进行整形后输出，第三反射镜、第四反射镜用于将第二光束整形镜组输出激光光路转折，主功率放大器模块用于对激光进行二次功率放大并输出。

本发明所述的一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器，作为优选方式，板条晶体为固体Nd:YAG；预功率放大器模块和主功率放大器模块均为LD阵列侧面泵浦Nd：YAG板条放大器。

本发明所述的一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器，作为优选方式，主功率放大器模块用于输出1064nm激光。

本发明所述的一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器，作为优选方式，倍频模块包括依次设置的1/2波片、第三光束整形镜组和倍频晶体；

1/2波片用于调节1064nm激光的相位并输出；第三光束整形镜组用于将1064nm激光进行扩束后输出，倍频晶体用于将1064nm激光倍频后输出双波长激光。

本发明所述的一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器，作为优选方式，双波长激光为1064nm激光和532nm激光。

本发明所述的一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器，作为优选方式，第一保罗棱镜、第一波片、板条晶体、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、电光Q开关、第二波片、第二保罗棱镜和泵浦二极管阵列均采用固定结构卡具；第一光楔和第二光楔均采用可调节结构卡具。

本发明所述的一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器，作为优选方式，主动调Q振荡器、预功率放大器、主功率放大器和倍频模块均采用模块化结构。

当电光Q开关处于不加压时，从第二保罗棱镜反射回来的S偏振光，经过第二波片后变成P偏振光，经过第二偏振分光棱镜全部输出，此时谐振腔处于高损耗状态，无激光输出；当电光Q开关处于加压状态时，P偏振光经过加压的电光Q开关后，有一部分S光分量经过第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜反射回增益臂，形成激光振荡，剩余的P光分量经过第二偏振分光棱镜输出腔外，形成激光输出。可以通过调节施加在电光Q开关上面的电压，从而改变谐振腔的输出透过率。本发明可使施加在电光Q开关上的电压由三四千伏降低至几百伏附近，大大降低了电光Q开关驱动的研制难度，提高了其可靠性。

振荡光经第一反射镜折转后进入预功率放大器，可有效缩小激光器的质量与体积，节省卫星上的资源。预功率放大器中第一光束整形镜组将振荡光进行扩束整形再进入预功率放大器模块，可有效提高预功率放大器模块的提取效率，减小预功率放大器输出激光的峰值功率密度。

第三反射镜、第四反射镜实现光路折转，可有效缩小激光器的质量与体积，节省卫星上的资源。主功率放大器中第二光束整形镜组将预功率放大后的激光进行再整形后进入主功率放大器模块，可有效提高预功率放大器模块的提取效率，减小主功率放大器输出激光的峰值功率密度，确保主功率放大器输出的激光峰值功率密度小于后光路中光学元器件1/2波片、第三光束整形镜组所镀膜层的损伤阈值且留有余量，提高激光器可靠性及使用寿命。

第二光束整形镜组可对主功率放大器输出的激光进行再扩束后进入倍频晶体，可有效减小主功率放大器输出激光的峰值功率密度，确保第二光束整形镜组输出的激光峰值功率密度小于后光路中光学元器件倍频晶体所镀膜层的损伤阈值且留有余量，可有效提高激光器可靠性及使用寿命。

本发明的关键点，主要是在传统的正交保罗棱镜谐振腔基础上，优化设计，采用两个PBS(偏振分光棱镜)折转光路，替代了传统的两个布鲁斯特片，可实现同轴的偏振激光输出，易于实现结构的小型化；同时通过调节施加在电光Q开关上的电压来改变谐振腔的输出透过率，大大降低了Q开关的驱动电压；通过合理的光束整形，减小激光峰值功率密度，提高激光器可靠性及使用寿命。通过预功率放大器和主功率放大器两级功率放大，可实现百mJ至1J量级1064nm基频光输出；通过倍频晶体，可实现1064nm、532nm双波长最大500mJ输出。

本发明具有以下优点：

(1)本发明采用正交保罗棱镜腔提高光路的稳定性，具有高性能的机械稳定性，可消除由于冲击和振动造成的对准失调，能够有效解决激光器在恶劣应用环境中适应性差、可靠性差和热稳定性差的问题，同时谐振腔内除了光楔可调外，其他光学器件均采用固定结构夹具，环境适应性强，适用于空间环境应用；采用调节电光Q开关的电压实现谐振腔的输出耦合透过率调节，电光Q开关的工作电压由几千伏降低至几百伏，大大降低了技术风险，避免了在星上使用高压组件，提高了激光器的可靠性；采用两个PBS实现光路的折转，实现激光器小型化紧凑型，减小激光器的体积和重量，节省卫星上的资源。

(2)本发明预功率放大器及主功率放大器采用单程吸收和双面泵浦方式，LD阵列位于Zigzag光路的脚印处，可有效提高功率放大器电-光转换效率，提高卫星供电利用率，节省卫星上的资源；采用铟焊方式将功率放大器板条晶体焊接在无氧铜热沉上，将功率放大器板条晶体产生的热以传导方式散热，可有效控制板条晶体热透镜效应，提高功率放大器输出能量稳定性。

(3)本发明可以实现大能量高稳定高可靠性的脉冲激光输出，而且通过增加板条增益介质的尺寸、泵浦二极管阵列的功率和适当的光束整形，可实现更大能量激光输出。谐振腔环境适应性强，且电光调Q电压低，结构紧凑，体积小，适用于空间环境应用。

(4)本发明通过不同尺寸的激光晶体以及与之匹配的泵浦源，可实现多种能量级别的高稳定性脉冲空间激光器。

(5)本发明适用于多平台应用，尤其是星载平台，可作为星载气溶胶探测激光雷达、星载测距激光雷达等探测光源。

附图说明

图1为一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器实施例1结构示意图；

图2为一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器实施例2结构示意图。

附图标记：

1、主动调Q振荡器；11、第一保罗棱镜；12、第一光楔；13、第一波片；14、板条晶体；15、第一偏振分光棱镜；16、第二偏振分光棱镜；17、电光Q开关；18、第二波片；19、第二光楔；1a、第二保罗棱镜；1b、泵浦二极管阵列；2、预功率放大器；21、第一反射镜；22、隔离器；23、1/2波片；24、第二反射镜；25、第一光束整形镜组；26、预功率放大器模块；3、主功率放大器；31、第二光束整形镜组；32、第三反射镜；33、第四反射镜；34、主功率放大器模块；4、倍频模块；41、1/2波片；42、第三光束整形镜组；43、倍频晶体。

具体实施方式

下面将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。

实施例1

如图1所示，一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器，包括依次设置的用于输出高光束质量振荡光的主动调Q振荡器1，用于将振荡光进行光束整形、一次功率放大后输出的预功率放大器2，用于将振荡光进行光束整形、二次功率放大后输出激光的主功率放大器3和用于生成双波长激光的倍频模块4；

主动调Q振荡器1为U型谐振腔，主动调Q振荡器1包括依次设置的第一保罗棱镜11、第一光楔12、第一波片13、板条晶体14、第一偏振分光棱镜15、第二偏振分光棱镜16、电光Q开关17、第二波片18、第二光楔19、第二保罗棱镜1a和设置在板条晶体14上的泵浦二极管阵列1b，第一偏振分光棱镜15与板条晶体14的输出光路成45°，第二偏振分光棱镜16与第一偏振分光棱镜15的输出光路成45°，第一保罗棱镜11与第二保罗棱镜1a的后棱正交放置，第一保罗棱镜11与第二保罗棱镜1a均与光轴成45°。

实施例2

如图2所示，一种星载大能量双波长全固体脉冲激光器，包括依次设置的用于输出高光束质量振荡光的主动调Q振荡器1，用于将振荡光进行光束整形、一次功率放大后输出的预功率放大器2，用于将振荡光进行光束整形、二次功率放大后输出激光的主功率放大器3和用于生成双波长激光的倍频模块4；

主动调Q振荡器1为U型谐振腔，主动调Q振荡器1包括依次设置的第一保罗棱镜11、第一光楔12、第一波片13、板条晶体14、第一偏振分光棱镜15、第二偏振分光棱镜16、电光Q开关17、第二波片18、第二光楔19、第二保罗棱镜1a和设置在板条晶体14上的泵浦二极管阵列1b，第一偏振分光棱镜15与板条晶体14的输出光路成45°，第二偏振分光棱镜16与第一偏振分光棱镜15的输出光路成45°，第一保罗棱镜11与第二保罗棱镜1a的后棱正交放置，第一保罗棱镜11与第二保罗棱镜1a均与光轴成45°；

板条晶体14使用铟焊连接在无氧铜热沉上；

第一光楔12和第二光楔19用于调节U型谐振腔内光路，泵浦二极管阵列1b发射出的泵浦光直接照射在板条晶体14上，波片13用于补偿第一保罗棱镜11对入射的S偏振光引起的相位延迟，第一偏振分光棱镜15、第二偏振分光棱镜16用于进行光路转折，电光Q开关17用于通过电压调节U型谐振腔的输出耦合透过率，第二波片18用于补偿第二保罗棱镜1a对S偏振光引起的相位延迟，第二偏振分光棱镜16用于形成激光振荡和输出振荡光至U型谐振腔外；

预功率放大器2包括依次设置的第一反射镜21、隔离器22、1/2波片23、第二反射镜24、第一光束整形镜组25和预功率放大器模块26；

第一反射镜21与第二偏振分光棱镜16的输出光路成45°，第二反射镜24与1/2波片23的输出光路成45°；

第一反射镜21用于将主动调Q振荡器1输出的振荡光反射至隔离器22，隔离器22用于防止预功率放大器2产生的激光反向进入主动调Q振荡器1，1/2波片23用于调节经过隔离器22后振荡光的相位；第一光束整形镜组25用于将振荡光进行扩束整形再输出至预功率放大器模块26；预功率放大器模块26用于对振荡光进行一次功率放大并输出激光；

主功率放大器3包括依次设置的第二光束整形镜组31、第三反射镜32、第四反射镜33和主功率放大器模块34；

第三反射镜32与第二光束整形镜组31的输出光路成45°，第四反射镜33与第三反射镜32的输出光路成45°；

第二光束整形镜组31用于将预功率放大器模块26输出的激光进行整形后输出，第三反射镜32、第四反射镜33用于将第二光束整形镜组31输出激光光路转折，主功率放大器模块34用于对激光进行二次功率放大并输出；

板条晶体14为固体Nd:YAG；预功率放大器模块26和主功率放大器模块34均为LD阵列侧面泵浦Nd：YAG板条放大器；

主功率放大器模块34用于输出1064nm激光；

倍频模块4包括依次设置的1/2波片41、第三光束整形镜组42和倍频晶体43；

1/2波片41用于调节1064nm激光的相位并输出；第三光束整形镜组42用于将1064nm激光进行扩束后输出，倍频晶体43用于将1064nm激光倍频后输出双波长激光；

双波长激光为1064nm激光和532nm激光；

第一保罗棱镜11、第一波片13、板条晶体14、第一偏振分光棱镜15、第二偏振分光棱镜16、电光Q开关17、第二波片18、第二保罗棱镜1a和泵浦二极管阵列1b均采用固定结构卡具；第一光楔12和第二光楔19均采用可调节结构卡具；

主动调Q振荡器1、预功率放大器2、主功率放大器3和倍频模块4均采用模块化结构。

当电光Q开关17处于不加压时，从第二保罗棱镜1a反射回来的S偏振光，经过第二波片18后变成P偏振光，经过第二偏振分光棱镜16全部输出，此时谐振腔处于高损耗状态，无激光输出；当电光Q开关17处于加压状态时，P偏振光经过加压的电光Q开关17后，有一部分S光分量经过第一偏振分光棱镜15和第二偏振分光棱镜16反射回增益臂，形成激光振荡，剩余的P光分量经过第二偏振分光棱镜16输出腔外，形成激光输出。

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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。