專利名稱：一種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)外差干涉技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于主振功放(Master Oscillator Power Amplifier, ΜΟΡΑ)激光器結(jié)構(gòu)的高功率外差可調(diào)干涉模式的生成裝置和方法。
背景技術(shù)：
激光主動(dòng)成像技術(shù)克服被動(dòng)成像技術(shù)距離近和對(duì)自然光源依賴大等缺點(diǎn)，成為近年來的研究熱點(diǎn)之一，其利用激光干涉場(chǎng)技術(shù)成像，可以通過獲取目標(biāo)散射能量中包含的不同空間頻率分量對(duì)應(yīng)的振幅和相位信息，重構(gòu)目標(biāo)圖像。該技術(shù)的一個(gè)重要分支便是傅立葉望遠(yuǎn)鏡成像技術(shù)(Imaging technique of Fourier telescope or Fourier telescopy, FT)，其利用主動(dòng)激光照明在目標(biāo)表面生成各種期望的外差干涉模式從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高分辨率成像。
經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，E. Louis Cuellar等人發(fā)表在SPIE會(huì)議2005 年第 5896 卷上的一片文章((Laboratory an d Field Experimental Demonstration of a Fourier Telescopy Imaging System》中,提出了將單頻激光光源輸出的單一光束經(jīng)過分光后再移頻從而形成期望外差干涉模式的方法，然而這種腔外分光移頻方式并不能適應(yīng)峰值功率大于100MW或者單脈沖能量大于IJ的高功率外差激光的應(yīng)用場(chǎng)合，因?yàn)檫@時(shí)最后輸出光束的光束質(zhì)量很差，光束直徑大于5mm,發(fā)散角大于2mrad,大于現(xiàn)有光學(xué)移頻器件的最大口徑，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的有效光學(xué)移頻，并且高功率激光還會(huì)造成分光器件和移頻器不同程度的損傷。發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有利用單一激光光束經(jīng)過分光后再移頻從而形成期望外差干涉模式的方法不能適應(yīng)高功率外差激光的應(yīng)用場(chǎng)合，其得到的光束直徑和發(fā)散角都大于現(xiàn)有光學(xué)移頻器件的最大口徑，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的有效光學(xué)移頻，并且高功率激光還會(huì)造成分光器件和移頻器不同程度的損傷的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置及方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下
一種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置包括單頻激光光源、多個(gè)保偏分光器、多個(gè)光學(xué)移頻器、多個(gè)激光耦合系統(tǒng)、多個(gè)多級(jí)激光功率放大器、多個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器和多個(gè)俯仰/傾斜調(diào)整鏡；其中單頻激光光源輸出的光束先后入射至多個(gè)保偏分光器，多個(gè)保偏分光器將接收的光束分成兩束以上偏振態(tài)相似的光束輸出給多個(gè)光學(xué)移頻器，多個(gè)光學(xué)移頻器將接收的每束光微量改變光學(xué)頻率輸出給多個(gè)激光耦合系統(tǒng)，多個(gè)激光耦合系統(tǒng)將接收的光束整形后入射至多個(gè)多級(jí)激光功率放大器，每個(gè)多級(jí)激光功率放大器中的最后一級(jí)激光功率放大器輸出光束入射至多個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器，多個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器大范圍改變每束光的光學(xué)頻率，產(chǎn)生期望波長(zhǎng)的移頻光束；每束移頻光束通過俯仰/傾斜調(diào)整鏡后在期望距離處疊加在一起，調(diào)整每束移頻光束的傳播方向獲得期望的外差干涉模式。
—種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的方法包括如下步驟
步驟一、單頻激光光源產(chǎn)生帶寬〈300MHz、光束質(zhì)量M2〈l. 5的激光束，該光束通過多個(gè)保偏分光器分成多束偏振態(tài)相同或相似的光束；
步驟二、經(jīng)過步驟一分光后的每束光均入射至一個(gè)光學(xué)移頻器，微量改變每束光的光學(xué)頻率，使每?jī)墒獾耐獠铑l率均不同；每束移頻光束經(jīng)過激光耦合系統(tǒng)整形后入射至多級(jí)激光功率放大器，利用多級(jí)放大使出射光束能量或功率達(dá)到期望值；
步驟三、經(jīng)過步驟二放大后的移頻光束通過頻率轉(zhuǎn)換器大范圍改變光學(xué)頻率，產(chǎn)生期望頻率或波長(zhǎng)的光束；然后每束移頻光束均入射至一個(gè)俯仰/傾斜調(diào)整鏡，俯仰/傾斜調(diào)整鏡調(diào)整每束移頻光束的傳播方向，在期望距離處產(chǎn)生多束移頻光束的疊加，從而實(shí)現(xiàn)期望的光學(xué)外差干涉模式。
本發(fā)明的有益效果是將分光器和光學(xué)移頻器放在MOPA激光器結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)在主振功放激光器輸出的低功率激光上進(jìn)行分光和高效移頻，可以避免最終高功率或能量激光對(duì)分光器件及移頻器件的損傷；激光功率放大器可以多級(jí)級(jí)聯(lián)使用，從而生成期望功率或能量的外差干涉模式；通過激光功率放大器的多級(jí)放大獲得高功率或能量，降低了主振功放激光器的輸出功率或能量，從而在光學(xué)移頻器前獲得更高光束質(zhì)量的光束可以有效拓寬光學(xué)移頻范圍。
圖1是本發(fā)明生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置的原理示意圖。
圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置的原理示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
如圖1所示，本發(fā)明生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置包括單頻激光光源1、多個(gè)保偏分光器2、多個(gè)光學(xué)移頻器3、多個(gè)激光耦合系統(tǒng)4、多個(gè)多級(jí)激光功率放大器5、多個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器6和多個(gè)俯仰/傾斜調(diào)整鏡7 ;其中單頻激光光源I輸出的光束先后入射至多個(gè)保偏分光器2，多個(gè)保偏分光器2將接收的光束分成兩束以上偏振態(tài)相似的光束輸出給多個(gè)光學(xué)移頻器3，多個(gè)光學(xué)移頻器3將接收的每束光微量改變光學(xué)頻率輸出給多個(gè)激光耦合系統(tǒng)4，多個(gè)激光耦合系統(tǒng)4將接收的光束整形后入射至多個(gè)多級(jí)激光功率放大器5，每個(gè)多級(jí)激光功率放大器5中的最后一級(jí)激光功率放大器輸出光束入射至多個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器6，多個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器6大范圍改變每束光的光學(xué)頻率，產(chǎn)生期望波長(zhǎng)的移頻光束； 每束移頻光束通過俯仰/傾斜調(diào)整鏡7后在期望距離處疊加在一起，調(diào)整每束移頻光束的傳播方向獲得期 望的外差干涉模式8。
上述的單頻激光光源I可以為固體單頻激光源或光纖單頻激光源等窄帶單頻激光源，光譜帶寬小于300MHz。例如，可以使用半導(dǎo)體激光泵浦的單頻固體激光器產(chǎn)生的激光光源。
上述的保偏分光器2可以為分光棱鏡、分光平板或分光薄膜等保證分光后光束偏振態(tài)與入射光束偏振態(tài)相同或相似的分光器件。保偏分光器2的數(shù)目取決于期望產(chǎn)生移頻光束的數(shù)目，至少為I個(gè)。
上述的光學(xué)移頻器3可以為能夠改變光學(xué)頻率的器件，比如聲光移頻器 (Acousto-optical frequency shifter, AO)等。光學(xué)移頻器3的數(shù)目取決于期望產(chǎn)生移頻光束的數(shù)目，至少為2個(gè)。
上述的激光耦合系統(tǒng)4包括所有能夠保偏并將光束有效會(huì)聚到后續(xù)激光功率放大器中的光學(xué)裝置，比如透射式耦合光學(xué)系統(tǒng)、反射式耦合光學(xué)系統(tǒng)或折返式耦合光學(xué)系統(tǒng)。實(shí)際系統(tǒng)中可以根據(jù)移頻后光束質(zhì)量選擇是否采用激光耦合系統(tǒng)。如果需要，則激光耦合系統(tǒng)的數(shù)目取決于期望產(chǎn)生移頻光束的數(shù)目，至少為2個(gè)。
上述的多級(jí)激光功率放大器5可以為固體功率放大器或光纖功率放大器等能夠?qū)⑷肷浼す饽芰炕蚬β史糯蟮狡谕芰炕蚬β手档募す夥糯笃?。激光功率放大器的路?shù)取決于期望產(chǎn)生移頻光束的數(shù)目，至少為2路。每路激光功率放大器的級(jí)數(shù)取決于期望輸出功率或能量，至少為I級(jí)。
上述的頻率轉(zhuǎn)換器6為可以將入射光頻率或波長(zhǎng)改變到期望頻率或波長(zhǎng)的器件， 比如光學(xué)倍頻器、KTP倍頻晶體等。頻率轉(zhuǎn)換器6的數(shù)目取決于期望產(chǎn)生移頻光束的數(shù)目， 至少為2個(gè)。
上述的俯仰/傾斜調(diào)整鏡7為可以調(diào)整出射移頻光束傳播方向，能夠使多束移頻光束在期望距離處疊加的器件，比如快反鏡(Fast Steering Mirror, FSM)、二維傾斜調(diào)整反射鏡。俯仰/傾斜調(diào)整鏡7的數(shù)目取決于期望產(chǎn)生移頻光束的數(shù)目，至少為2個(gè)。
實(shí)施例一、
如圖2所示，本發(fā)明生成高功率外差干涉模式激光的裝置包括單頻激光光源1、第一保偏分光器2-1、第二保偏分光器2-2、第一光學(xué)移頻器3-1、第二光學(xué)移頻器3-2、第一激光耦合系統(tǒng)4-1、第二激光耦合系統(tǒng)4-2、第一多級(jí)激光功率放大器5-1、第二多級(jí)激光 功率放大器5-2、第一頻率轉(zhuǎn)換器6-1、第二頻率轉(zhuǎn)換器6-2、第一俯仰/傾斜調(diào)整鏡7-1和第二俯仰/傾斜調(diào)整鏡7-2 ;單頻激光光源1、第一保偏分光器2-1、第一光學(xué)移頻器3-1、第一激光率禹合系統(tǒng)4-1、第一多級(jí)激光功率放大器5-1、第一頻率轉(zhuǎn)換器6-1、第一俯仰/傾斜調(diào)整鏡7-1順次排列在同一光軸上；第二保偏分光器2-2、第二光學(xué)移頻器3-2、第二激光稱合系統(tǒng)4-2、第二多級(jí)激光功率放大器5-2、第二頻率轉(zhuǎn)換器6-2、第二俯仰/傾斜調(diào)整鏡7-2順次排列在同一光軸上。
單頻激光光源I發(fā)出一束單頻激光并入射到第一保偏分光器2-1,第一保偏分光器2-1將入射光分成透射光束和反射光束,其透射光束沿原光路繼續(xù)傳播成為第一偏振光，并入射至第一光學(xué)移頻器3-1,第一光學(xué)移頻器3-1對(duì)第一偏振光進(jìn)行光學(xué)移頻后射入第一激光稱合系統(tǒng)4-1,第一激光稱合系統(tǒng)4-1對(duì)第一偏振光整形后射入第一多級(jí)激光功率放大器5-1,第一多級(jí)激光功率放大器5-1對(duì)第一偏振光放大后射入第一頻率轉(zhuǎn)換器 6-1,第一頻率轉(zhuǎn)換器6-1改變第一偏振光的光學(xué)頻率后形成第一移頻干涉光束并射入第一俯仰/傾斜調(diào)整鏡7-1，第一俯仰/傾斜調(diào)整鏡7-1調(diào)整第一移頻干涉光束的出射方向和角度，使其射向目標(biāo)方位。第一保偏分光器2-1的反射光束入射到第二保偏分光器2-2并經(jīng)第二保偏分光器2-2反射后成為第二偏振光，第二偏振光順次經(jīng)過第二光學(xué)移頻器3-2、 第二激光耦合系統(tǒng)4-2、第二多級(jí)激光功率放大器5-2、第二頻率轉(zhuǎn)換器6-2后形成第二移頻干涉光束并射入第二俯仰/傾斜調(diào)整鏡7-2，第二俯仰/傾斜調(diào)整鏡7-2調(diào)整第二移頻干涉光束的出射方向和角度，使其射向目標(biāo)方位；在第一移頻干涉光束經(jīng)第一俯仰/傾斜調(diào)整鏡7-1調(diào)整后以及第二移頻干涉光束經(jīng)第二俯仰/傾斜調(diào)整鏡7-2調(diào)整后，兩移頻干涉光束匯聚于空間中的同一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，并在該目標(biāo)點(diǎn)處形成預(yù)期頻率的外差干涉模式8。
本發(fā)明生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的方法包括如下步驟
步驟一、單頻激光光源I產(chǎn)生帶寬〈300MHz、光束質(zhì)量M2〈l. 5的激光束，該光束通過多個(gè)保偏分光器2分成多束偏振態(tài)相同或相似的光束；
步驟二、經(jīng)過步驟一分光后的每束光均入射至一個(gè)光學(xué)移頻器3，微量改變每束光的光學(xué)頻率，使每?jī)墒獾耐獠铑l率均不同；每束移頻光束經(jīng)過激光耦合系統(tǒng)4整形后入射至多級(jí)激光功率放大器5，利用多級(jí)放大使出射光束能量或功率達(dá)到期望值；
步驟三、經(jīng)過步驟二放大后的移頻光束通過頻率轉(zhuǎn)換器6大范圍改變光學(xué)頻率， 產(chǎn)生期望頻率或波長(zhǎng)的光束；然后每束移頻光束均入射至一個(gè)俯仰/傾斜調(diào)整鏡7，俯仰/ 傾斜調(diào)整鏡7調(diào)整每束移頻光束的傳播方向，在期望距離處產(chǎn)生多束移頻光束的疊加，從而實(shí)現(xiàn)期望的光學(xué)外差干涉模 式8。
權(quán)利要求
1.一種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置，其特征在于，該裝置包括單頻激光光源(I)、多個(gè)保偏分光器(2)、多個(gè)光學(xué)移頻器(3)、多個(gè)激光耦合系統(tǒng)(4)、多個(gè)多級(jí)激光功率放大器(5)、多個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器(6)和多個(gè)俯仰/傾斜調(diào)整鏡(7);其中單頻激光光源(I)輸出的光束先后入射至多個(gè)保偏分光器(2)，多個(gè)保偏分光器(2)將接收的光束分成兩束以上偏振態(tài)相似的光束輸出給多個(gè)光學(xué)移頻器(3)，多個(gè)光學(xué)移頻器(3)將接收的每束光微量改變光學(xué)頻率輸出給多個(gè)激光耦合系統(tǒng)(4)，多個(gè)激光耦合系統(tǒng)(4)將接收的光束整形后入射至多個(gè)多級(jí)激光功率放大器(5)，每個(gè)多級(jí)激光功率放大器(5)中的最后一級(jí)激光功率放大器輸出光束入射至多個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器(6)，多個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器(6)大范圍改變每束光的光學(xué)頻率，產(chǎn)生期望波長(zhǎng)的移頻光束；每束移頻光束通過俯仰/傾斜調(diào)整鏡(7)后在期望距離處疊加在一起，調(diào)整每束移頻光束的傳播方向獲得期望的外差干涉模式(8 )。
2.如權(quán)利要求1所述的一種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置，其特征在于， 所述微量改變頻率為相對(duì)頻率改變量〈O. 1%，所述大范圍改變頻率為相對(duì)頻率改變量>1%。
3.如權(quán)利要求1所述的一種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置，其特征在于， 所述單頻激光光源(I)為固體單頻激光源或光纖單頻激光源，光譜帶寬小于300MHz。
4.如權(quán)利要求1所述的一種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置，其特征在于， 所述保偏分光器(2 )為分光棱鏡或分光平板或分光薄膜。
5.如權(quán)利要求1所述的一種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置，其特征在于， 所述光學(xué)移頻器(3)為聲光移頻器。
6.如權(quán)利要求1所述的一種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置，其特征在于， 所述激光耦合系統(tǒng)(4)為透射式耦合光學(xué)系統(tǒng)或反射式耦合光學(xué)系統(tǒng)或折返式耦合光學(xué)系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求1所述的一種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置，其特征在于， 所述多級(jí)激光功率放大器(5)為固體功率放大器或光纖功率放大器。
8.如權(quán)利要求1所述的一種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置，其特征在于， 所述頻率轉(zhuǎn)換器(6)為光學(xué)倍頻器。
9.如權(quán)利要求1所述的一種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置，其特征在于， 所述俯仰/傾斜調(diào)整鏡(7)為快反鏡。
10.基于權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟步驟一、單頻激光光源(I)產(chǎn)生帶寬〈300MHz、光束質(zhì)量M2〈l. 5的激光束，該光束通過多個(gè)保偏分光器(2)分成多束偏振態(tài)相同或相似的光束；步驟二、經(jīng)過步驟一分光后的每束光均入射至一個(gè)光學(xué)移頻器(3 )，微量改變每束光的光學(xué)頻率，使每?jī)墒獾耐獠铑l率均不同；每束移頻光束經(jīng)過激光耦合系統(tǒng)(4)整形后入射至多級(jí)激光功率放大器(5)，利用多級(jí)放大使出射光束能量或功率達(dá)到期望值；步驟三、經(jīng)過步驟二放大后的移頻光束通過頻率轉(zhuǎn)換器(6)大范圍改變光學(xué)頻率，產(chǎn)生期望頻率或波長(zhǎng)的光束；然后每束移頻光束均入射至一個(gè)俯仰/傾斜調(diào)整鏡(7)，俯仰/傾斜調(diào)整鏡(7)調(diào)整每束移頻光束的傳播方向，在期望距離處產(chǎn)生多束移頻光束的疊加，從而實(shí)現(xiàn)期望的光學(xué)外差干涉模式。
全文摘要
一種生成高功率光學(xué)外差激光干涉模式的裝置及方法涉及光學(xué)外差干涉技術(shù)領(lǐng)域，裝置包括單頻激光光源、多個(gè)保偏分光器、多個(gè)光學(xué)移頻器、多個(gè)激光耦合系統(tǒng)、多個(gè)多級(jí)激光功率放大器、多個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器和多個(gè)俯仰/傾斜調(diào)整鏡；單頻激光光源輸出的光束先后入射至多個(gè)保偏分光器，被分成兩束以上偏振態(tài)相似的光束輸出給光學(xué)移頻器，光學(xué)移頻器微量改變光學(xué)頻率輸出給激光耦合系統(tǒng)，經(jīng)整形后入射至多級(jí)激光功率放大器，最后一級(jí)激光功率放大器輸出光束入射至頻率轉(zhuǎn)換器，經(jīng)大范圍改變每束光的光學(xué)頻率，再通過俯仰/傾斜調(diào)整鏡調(diào)整每束移頻光束的傳播方向獲得期望的外差干涉模式。本發(fā)明可避免最終高功率激光對(duì)分光器及移頻器的損傷。
文檔編號(hào)H01S3/106GK103066487SQ201210571329
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者董磊, 劉欣悅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所