一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法。

背景技术

星载直接测风激光雷达和星载高光谱激光雷达可以进行全球的三维风场以及云-气溶胶的探测，对精确气象预报和战场环境保障有重要意义。星载直接测风激光雷达与星载高光谱激光雷达均要求其使用的激光器为单频脉冲激光器，同时要求激光器输出能量稳定性高的百毫焦量级的激光。

实现单频脉冲激光的技术方法主要有种子注入锁定技术和种子斩波放大技术两种。种子注入锁定技术是将单频、光束质量好的连续种子光信号注入到一个激光振荡器中。激光振荡器的谐振腔内充满了种子光光子，因此激光振荡是在这个种子光频率的基础上而不再是从噪声中发展起来，邻近种子光频率的激光纵模最先形成振荡，并提取反转粒子、抑制其它纵模振荡，从而得到单频脉冲激光输出。种子斩波放大技术是通过声光调制器(AOM)将连续种子激光直接调制成脉冲光，再通过脉冲整形和放大获得单频脉冲激光。种子注入锁定技术相比种子斩波放大技术具有器件简单、无需脉冲整形、脉冲能量大等优点，在单频脉冲激光器中得到广泛应用。

星载直接测风激光雷达和星载高光谱激光雷达常采用Nd:YAG系列的1064nm、532nm或355nm激光器，其脉冲宽度一般在纳秒级别，纳秒级别的窄脉宽缩短了注入锁定的判断时间，Q开关打开的时间误差增加了能量输出的抖动性和高稳定性注入锁定的难度；同时星载激光器的运行需经过振动、高低温等恶劣的环境考验，大大提升了对注入锁定技术抗干扰性的要求。

发明内容

本发明是为了解决空间激光器在严苛环境下输出高稳定性的大能量单频脉冲激光的问题，提供一种新的注入锁定方法，锁定控制器根据光电探测器反馈的谐振信号预测谐振信号峰值，并给出放大器电源同步信号和Q开关触发信号，输出能量稳定性优于0.5％的百毫焦量级的大能量单频脉冲激光。

本发明提供一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、连续种子激光输出：种子激光器输出种子激光至振荡器，注入锁定控制器输出同步信号至振荡器电源，振荡器电源开始给振荡器供电；

S2、单频脉冲激光输出：注入锁定控制器输出三角波电压控制压电陶瓷往复运动，振荡器在压电陶瓷运动的过程中改变腔长，光电探测器探测到振荡器中的谐振信号反馈到注入锁定控制器，注入锁定控制器对谐振信号峰值进行判断并预测下一个谐振信号峰值出现的时刻给出Q开关驱动的触发信号和放大器电源的同步信号，振荡器在Q开关的驱动下输出单频脉冲激光，放大器电源供电；

S3、单频脉冲激光放大：放大器将单频脉冲激光放大，输出大能量窄脉宽单频激光。

本发明所述的一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法，作为优选方式，步骤S2包括：

S21、腔长改变：注入锁定控制器输出三角波电压控制压电陶瓷往复运动，振荡器在压电陶瓷运动的过程中改变腔长；

S22、预测峰值：光电探测器探测到振荡器中的谐振信号反馈到注入锁定控制器，注入锁定控制器读取谐振信号峰值；压电陶瓷的电压上升的范围控制在光电探测器探测到3个谐振信号峰值；注入锁定控制器读取每次压电陶瓷电压上升沿时前两个谐振信号峰值的位置并预测第三个谐振信号峰值出现时刻；

S23、给出触发信号：注入锁定控制器在预测的第三个谐振信号峰值出现时刻前150至200微秒给出放大器电源的同步信号，注入锁定控制器在预测的第三个谐振信号峰值出现时刻给出Q开关驱动的触发信号；

S24、单频激光输出：Q开关供电，放大器电源供电，振荡器在Q开关驱动下输出单频脉冲激光。

本发明所述的一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法，作为优选方式，步骤S22中，注入锁定控制器设置谐振信号峰值信号读取上限和下限，超出上限和低于下限的谐振信号峰值自动忽略。

本发明所述的一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法，作为优选方式，步骤S22中，注入锁定控制器对读取的谐振信号峰值进行2至5组数据的拟合优化后再预测第三个谐振信号峰值出现时刻。

本发明所述的一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法，作为优选方式，振荡器是以Nd:YAG晶体为增益介质的调Q激光器。

本发明所述的一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法，作为优选方式，放大器使用Nd:YAG板条晶体。

本发明所述的一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法，作为优选方式，振荡器和放大器均采用传导冷却进行温度控制。

本发明所述的一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法，作为优选方式，种子激光器、振荡器和放大器的温控精度均小于0.01℃

本发明所述的一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法，作为优选方式，步骤S1中种子激光为基横模、单纵模的1064nm单频连续激光，1064nm单频连续激光的光束质量因子M

本发明所述的一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法，作为优选方式，步骤S3中大能量窄脉宽单频激光波长为1064nm，大能量窄脉宽单频激光为百毫焦量级。

本发明具有以下优点：

(1)本发明采用脉冲泵浦及种子注入锁定技术，相对于连续泵浦、百纳秒以上输出激光脉宽和十毫焦量级能量的一般在地基或机载相干测风激光雷达使用的单频脉冲激光器，更加适用于星载直接测风激光雷达、星载高光谱激光雷达的使用；

(2)本发明输出激光一般在纳秒量级、能量超过百毫焦，注入锁定控制器根据光电探测器反馈的谐振信号预测谐振信号峰值，并给出放大器电源同步信号和Q开关触发信号，减小了Q开关打开的时间误差，降低能量输出的抖动性，可实现抗干扰能力更强，能量稳定性更好的大能量单频脉冲激光输出。

附图说明

图1为一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法实施例1-2流程图；

图2为一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法系统组成框图；

图3为一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法步骤S2流程图。

附图标记：

1、种子激光器；2、振荡器；3、注入锁定控制器；4、振荡器电源；5、压电陶瓷；6、光电探测器；7、Q开关驱动；8、放大器电源；9、Q开关；10、放大器。

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1-2所示，一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、连续种子激光输出：种子激光器1输出种子激光至振荡器2，注入锁定控制器3输出同步信号至振荡器电源4，振荡器电源4开始给振荡器2供电；

S2、单频脉冲激光输出：注入锁定控制器3输出三角波电压控制压电陶瓷5往复运动，振荡器2在压电陶瓷5运动的过程中改变腔长，光电探测器6探测到振荡器2中的谐振信号反馈到注入锁定控制器3，注入锁定控制器3对谐振信号峰值进行判断并预测下一个谐振信号峰值出现的时刻给出Q开关驱动7的触发信号和放大器电源8的同步信号，振荡器2在Q开关9的驱动下输出单频脉冲激光，放大器电源8供电；

S3、单频脉冲激光放大：放大器10将单频脉冲激光放大，输出大能量窄脉宽单频激光。

实施例2

如图1-2所示，一种用于星载大能量窄脉宽单频激光器的注入锁定方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、连续种子激光输出：种子激光器1输出基横模、单纵模的1064nm单频连续激光作为种子激光至振荡器2，注入锁定控制器3输出同步信号至振荡器电源4，振荡器电源4开始给振荡器2供电；

S2、单频脉冲激光输出：注入锁定控制器3输出三角波电压控制压电陶瓷5往复运动，振荡器2在压电陶瓷5运动的过程中改变腔长，光电探测器6探测到振荡器2中的谐振信号反馈到注入锁定控制器3，注入锁定控制器3对谐振信号峰值进行判断并预测下一个谐振信号峰值出现的时刻给出Q开关驱动7的触发信号和放大器电源8的同步信号，振荡器2在Q开关9的驱动下输出单频脉冲激光，放大器电源8供电；

如图3所示，步骤S2包括：

S21、腔长改变：注入锁定控制器3输出三角波电压控制压电陶瓷5往复运动，振荡器2在压电陶瓷5运动的过程中改变腔长；

S22、预测峰值：光电探测器6探测到振荡器2中的谐振信号反馈到注入锁定控制器3，注入锁定控制器3读取谐振信号峰值；压电陶瓷5的电压上升的范围控制在光电探测器6探测到3个谐振信号峰值；注入锁定控制器3读取每次压电陶瓷5电压上升沿时前两个谐振信号峰值的位置并预测第三个谐振信号峰值出现时刻；

注入锁定控制器3对读取的谐振信号峰值进行2至5组数据的拟合优化后再预测第三个谐振信号峰值出现时刻；

注入锁定控制器3设置谐振信号峰值信号读取上限和下限，超出上限和低于下限的谐振信号峰值自动忽略；

S23、给出触发信号：注入锁定控制器3在预测的第三个谐振信号峰值出现时刻前150至200微秒给出放大器电源8的同步信号，注入锁定控制器3在预测的第三个谐振信号峰值出现时刻给出Q开关驱动7的触发信号；

S24、单频激光输出：Q开关9供电，放大器电源8供电，振荡器2在Q开关9驱动下输出单频脉冲激光；

S3、单频脉冲激光放大：放大器10将单频脉冲激光放大，输出大能量窄脉宽单频激光；大能量窄脉宽单频激光波长为1064nm，大能量窄脉宽单频激光为百毫焦量级；1064nm单频连续激光的光束质量因子M

振荡器2是以Nd:YAG晶体为增益介质的调Q激光器；

放大器10使用Nd:YAG板条晶体；

振荡器2和放大器10均采用传导冷却进行温度控制；

种子激光器1、振荡器2和放大器10的温控精度均小于0.01℃。

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。