多波长可调谐窄线宽脉冲激光器

本发明涉及脉冲激光，特别是一种多波长可调谐窄线宽脉冲激光器。

背景技术：

0、技术背景

1、积分路径差分吸收(ipda)激光雷达作为一种主动卫星遥感技术装置，具有时空分辨率高、探测精度高、抗干扰能力强等特点，能够对大气中二氧化碳、甲烷、水汽等多种温室气体进行全球、全天时、高精度探测，是实现机载、星载温室气体主动探测最具前景的技术手段。基于同一ipda激光雷达系统进行多种温室气体的同时探测是当前气体遥感技术的研究热点，其中脉冲激光器作为激光雷达的核心组件，需同时满足多波长、可调谐、高能量、窄线宽以及结构简单等要求。因此发明结构简单、性能可靠的多波长可调谐窄线宽脉冲激光器具有重要意义。

2、目前针对星载激光雷达应用的多波长窄线宽脉冲激光源的主要技术路线有两种：一是采用激光二极管直接泵浦激光增益介质，并通过注入不同波长的种子激光实现多波长脉冲激光输出，但该技术路线结构复杂且输出功率低，不适用于星载应用；另一技术路线是基于1μm波段脉冲激光泵浦源，结合不同波长种子注入的光参量振荡器或光参量放大器实现目标波长窄脉宽脉冲激光输出，但该技术路线受到种子源本身调谐属性的限制，难以利用单一激光源实现覆盖多种温室气体吸收线的波长输出，因此需要为每个波长提供一个种子源，系统结构复杂。因此，亟需开发能从单一激光系统输出多个波长的可调谐窄线宽脉冲激光器，推动多物质探测激光雷达的发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有激光雷达温室气体探测用激光器输出波长单一、结构复杂、能量低且稳定性差等问题，提供一种可以从单一激光器输出多种波长的窄线宽脉冲激光器，即多波长可调谐窄线宽脉冲激光器，提高窄线宽脉冲激光器波长可调谐性及输出能量，使之适用于激光雷达多物质探测等领域。

2、基本原理

3、以1μm波长激光作为泵浦源，结合复合腔光参量振荡器(opo)和角度调谐光参量放大器(opa)设计，采用波形转换器和延时光纤精确调节泵浦波形及opo和opa之间的泵浦延时，实现泵浦的高精度时序匹配，通过复合腔腔长及参量振荡晶体温度调节实现选频和波长调谐，无需种子注入即可实现单频可调谐opo激光输出，通过参量放大晶体的角度调谐进行多波长之间的快速切换，实现多个波长的定标放大，获得高能量、窄线宽、1.5～1.6μm多波长可调谐脉冲激光输出。

4、本发明的技术解决方案如下：

5、一种多波长可调谐窄线宽脉冲激光器，其特点在于，包括泵浦激光模组、复合腔光参量振荡模组和光参量放大模组三部分：所述的泵浦激光模组用于产生1μm的第一泵浦激光和第二泵浦激光，所述的复合腔光参量振荡模组接收所述的第一泵浦激光并产生1.5～1.6μm的单频信号光，所述的光参量放大模组接收所述的第二泵浦激光和所述的单频信号光后产生高能量脉冲激光，所述的高能量脉冲激光为1.5～1.6μm窄线宽可调谐脉冲激光，具体结构如下：

6、所述的泵浦激光模组包括的1μm单频连续种子激光器用于产生单频连续种子激光，所述的单频连续种子激光经波形转换器调节输出波形后，由光纤分束器分为第一分束激光和第二分束激光，所述的第一分束激光经第一延时光纤传输至第一固体预放大模块并放大，随后由第一半波片调节偏振态并输出，形成第一泵浦激光；所述的第二分束激光经第二延时光纤传输后依次由第二固体预放大模块和固体主放大模块放大，并由第二半波片调节偏振态后输出，形成第二泵浦激光；

7、所述的复合腔光参量振荡模组用于接收所述的第一泵浦激光并产生1.5～1.6μm单频信号光，所述的第一泵浦激光经第一偏振分束器分为第一反射泵浦激光和第一透射泵浦激光，所述的第一反射泵浦激光经第三半波片调节偏振态后泵浦第一复合腔光参量振荡器并产生第一信号光和第一闲频光，所述的第一复合腔光参量振荡器包括第一参量腔镜、第一参量晶体以及第二参量腔镜，所述的第一信号光经第一反射镜反射至第一双色镜，并由所述的第一双色镜透射输出，所述的第一闲频光在所述的第一参量腔镜和所述的第二参量腔镜之间振荡；所述的第一透射泵浦激光经第二反射镜反射后泵浦第二复合腔光参量振荡器并产生第二信号光和第二闲频光，所述的第二复合腔光参量振荡器包括第三参量腔镜、第二参量晶体以及第四参量腔镜，所述的第二信号光经所述的第一双色镜反射输出，所述的第二闲频光在所述的第三参量腔镜和所述的第四参量腔镜之间振荡；所述的第一信号光的中心波长可通过调节第一复合腔光参量振荡器的腔长和第一参量晶体的温度调谐，所述的第二信号光的中心波长可通过调节第二复合腔光参量振荡器和第二参量晶体的温度调谐，所述的第一信号光和所述的第二信号光为单频可调谐脉冲激光；

8、所述的光参量放大模组用于接收所述的第二泵浦激光以及所述的第一信号光和所述的第二信号光并产生高能量窄线宽脉冲激光，所述的第二泵浦激光经第二偏振分束器分为第二反射泵浦激光和第二透射泵浦激光，所述的第二反射泵浦激光经第四半波片调节偏振态后传输至第二双色镜，所述的第二双色镜透射所述的第二反射泵浦激光并反射所述的第一信号光和第二信号光至第一参量放大晶体，所述的第一参量放大晶体通过角度调节放大所述第一信号光或放大所述第二信号光并输出第三信号光和第三闲频光，剩余所述的第二反射泵浦激光和所述的第三闲频光经第三双色镜透射输出，所述的第三信号光经所述的第三双色镜反射、经第四双色镜反射至第二参量放大晶体，所述的第二透射泵浦激光经第三反射镜反射、经所述的第四双色镜透射至第二参量放大晶体，所述的第二参量放大晶体通过角度调节放大所述第三信号光并输出第四信号光和第四闲频光，剩余所述的第二透射泵浦激光和所述的第四闲频光经第五双色镜透射输出，所述的第四信号光由所述的第五双色镜反射输出，所述的第三信号光与所述的第四信号光波长相同，所述的第四信号光为1.5～1.6μm高能量可调谐窄线宽脉冲激光；

9、所述的第一复合腔光参量振荡器包含的所述的第一参量腔镜和所述的第二参量腔镜组成第一闲频腔，所述的第一参量晶体靠近第一参量腔镜的端面沉积膜层与第二参量腔镜组成第一信号腔，所述的第一闲频腔和所述的第一信号腔腔长可调；所述的第一闲频腔腔长为l1，第一闲频光频率为ω1，所述的第一信号腔腔长为l2，第一信号光频率为ω2，设所述的第一参量腔镜移动距离为δl1，所述的第二参量腔镜移动距离为δl2，为通过腔长调节选频，实现单频脉冲激光输出，需满足调谐关系：

10、所述的第二复合腔光参量振荡器包含的所述的第三参量腔镜和所述的第四参量腔镜组成第二闲频腔，所述的第二参量晶体靠近第三参量腔镜的端面沉积膜层与第四参量腔镜组成第二信号腔，所述的第二闲频腔和所述的第二信号腔腔长可调；所述的第二闲频腔腔长为l3，第二闲频光频率为ω3，所述的第二信号腔腔长为l4，第二信号光频率为ω4，设所述的第三参量腔镜移动距离为δl3，所述的第四参量腔镜移动距离为δl4，为通过腔长调节选频，实现单频脉冲激光输出，需满足调谐关系：

11、所述的第一复合腔光参量振荡器包含的所述的第一参量腔镜镀0°的1μm增透膜和3.3μm高反膜，所述的第二参量腔镜镀0°的1μm高反膜、3.3μm高反膜以及1.5μm的30％～60％透过率介质膜，所述的第一参量晶体靠近所述的第一参量腔镜的端面镀0°的1μm增透膜、3.3μm增透膜以及1.5μm高反膜，所述的第一参量晶体靠近所述的第二参量腔镜的端面镀0°的1μm、3.3μm以及1.5μm增透膜；

12、所述的第二复合腔光参量振荡器包含的所述的第三参量腔镜镀0°的1μm增透膜和3μm高反膜，所述的第二参量腔镜镀0°的1μm高反膜、3μm高反膜以及1.6μm的30％～60％透过率介质膜，所述的第二参量晶体靠近所述的第三参量腔镜的端面镀0°的1μm增透膜、3μm增透膜以及1.6μm高反膜，所述的第二参量晶体靠近所述的第四参量腔镜的端面镀0°的1μm、3μm以及1.6μm增透膜；

13、所述的第一反射镜表面镀45°的1.5～1.6μm高反膜；所述的第二反射镜和所述的第三反射镜表面镀45°的1μm高反膜；

14、所述的第一双色镜表面镀45°的1.5μm增透膜和1.6μm高反膜；所述的第二双色镜表面镀45°的1μm增透膜以及1.5～1.6μm高反膜；所述的第三双色镜表面镀45°的1μm和3.0～3.3μm增透膜以及1.5～1.6μm高反膜；所述的第四双色镜表面镀45°的1μm增透膜以及1.5～1.6μm高反膜；所述的第五双色镜表面镀45°的1μm和3.0～3.3μm增透膜以及1.5～1.6μm高反膜。

15、所述的第一参量晶体和所述的第二参量晶体、为周期性极化铌酸锂ppln晶体；所述的第一参量放大晶体、和所述的第二参量放大晶体、为砷酸钛氧钾kta晶体或磷酸钛氧钾ktp晶体，且晶体的两个端面镀0°的1μm、1.5～1.6μm以及3.0～3.3μm增透膜。

16、所述的第一半波片、第二半波片、第三半波片和第四半波片均为1μm半波片，表面均镀0°的1μm增透膜。

17、所述的第一固体预放大模块和第二固体预放大模块包括预放大晶体和泵浦源，所述的预放大晶体为nd:yvo4晶体或nd:yag晶体；所述的固体主放大模块包括主放大晶体和泵浦源，所述的主放大晶体为nd:yag晶体。

18、本发明的技术效果如下：

19、与现有技术相比，本发明多波长可调谐窄线宽脉冲激光器，以1μm波长激光作为泵浦源，采用波形转换器和延时光纤精确调节泵浦波形及opo和opa之间的泵浦延时，实现了高精度时序匹配及高效率激光输出；采用复合腔opo设计，通过复合腔腔长及参量振荡晶体温度调节实现选频和波长调谐，无需种子注入即可实现单频可调谐opo激光输出；采用角度调谐opa设计，通过参量放大晶体的角度调谐即可实现多波长之间的快速切换，实现多个波长的定标放大，获得高能量、窄线宽、1.5～1.6μm多波长可调谐脉冲激光输出。

20、本发明致力于解决在简洁结构下高能窄线宽激光波长可调谐输出等关键技术问题，有效推动多种物质长距离、高精度探测技术的研究与发展，适用于星载、机载激光雷达多种温室气体探测等领域。