高空钠层风温探测激光雷达发射激光系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高空钠层风温探测激光雷达发射系统，涉及高空钠层风温探测激光雷达领域。该系统由种子激光单元(1)、声光调制单元(2)、拉曼光纤激光放大单元(3)、倍频与脉冲激光放大单元(4)和原子稳频控制单元(5)组成。各单元之间采用光纤连接，且声光调制单元和拉曼光纤激光放大单元的内部也使用光纤结构，使单元内部和单元之间受温度和震动影响大大减小，空间布局不再受限制。具有结构紧凑、体积小、便于集成、环境适应能力强、工作稳定可靠等优点。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及高空钠层风温探测激光雷达，特别涉及高空钠层风温探测激光雷达的发射激光系统。
技术介绍
：目前大气探测激光雷达对高空80-110km范围钠层的风场和温度探测的方法之一是：利用钠层中钠原子谱线随温度的多普勒光谱展宽和钠原子谱线随风速的多普勒光谱频移原理，采用三频窄线宽激光激发钠原子产生荧光，通过接收三频荧光信号的强度，进行反演获得风场和温度。文献1(Retrieving mesopause temperature and line-of-sight wind from full-diurnal-cycle Na lidar observations，DAVIDA.KRUEGER et al.，Applied Optics，Vol.54,No.32，November 102015)公开了一种钠层风温探测激光雷达系统，该系统的发射激光系统包含：环形染料种子激光单元(CW Seed Injection)、声光调制单元(Acousto Optic Modulation)、原子稳频控制单元(Doppler-Free Spectroscopy)和脉冲激光放大器(Amplification)等组成，获得了大量钠层风温的优良观测数据。但是，该方案从环形染料种子激光单元开始，一直到脉冲激光放大单元的激光输出，均采用自由光路，自由光路的光程很长，光程中的任一环节特别是前端光路稍受环境温
度或震动影响，都会造成后端光路的偏移，致使整个激光系统工作稳定性受到影响，甚至不能正常观测运行。文献2(全固态窄带钠层荧光激光雷达系统及初步观测结果，夏媛等，中国激光，第42卷，光学前沿—激光技术专刊，2015年9月)提出一种采用全光纤声光调制方案，使部分光路在非自由空间的光纤中传输，很大程度的改进了发射激光系统在温度和震动环境下的工作稳定性，但大部分光路仍然采用自由空间传输方式，抗温度和震动影响的能力有限。
技术实现思路
：本专利技术的目的是：提供一种高空钠层风温探测激光雷达发射激光系统。该系统的种子激光单元、声光调制单元、拉曼光纤激光放大单元、倍频与脉冲激光放大单元和原子稳频控制单元之间均采用光纤连接，且声光调制单元和拉曼光纤激光放大单元的内部也使用光纤结构，使单元内部和单元之间受温度和震动影响大大减小，空间布局不再受限制。具有结构紧凑、体积小、便于集成、环境适应能力强、工作稳定可靠等优点。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：高空钠层风温激光雷达发射系统由种子激光单元(1)、声光调制单元(2)、拉曼光纤激光放大单元(3)、倍频与脉冲激光放大单元(4)和原子稳频控制单元(5)组成。其中，种子激光单元(1)采用光纤输出的光栅外腔反馈半导体激光器，输出波长为1178nm的种子激光；声光调制单元(2)由光开关控制器(21)、第一光开关(22)、第二光开关(23)、第一声光调制器(24)和第二声光调制器(25)组成；第一声光调制器(24)的两端分别通过光纤连接到第一光开关(22)的第一输出端(22A)和第二光开关(23)的第一输入端(23A)，第二声光调制器(25)的两端分别通过光纤连接到第一光开关(22)的第二输出端(22B)和第二光开关23的第二输入端(23B)，第一光开关(22)的第三输出端(22C)通过光纤连接到第二光开关(23)的第三输入端(23C)；光开关控制器(21)的输出端连接到第一光开关(22)和第二光开关(23)的控制端；拉曼光纤激光放大单元(3)由第一光隔离器(31)、泵浦半导体激光器(32)、拉曼放大光纤(33)和第二光隔离器(34)组成；第一光隔离器(31)的输出端连接到拉曼放大光纤(33)，泵浦半导体激光器(32)的输出激光通过光纤连接到拉曼放大光纤(33)，拉曼放大光纤(33)的输出光进入第二光隔离器(34)的输入端；倍频与脉冲激光放大单元(4)由聚焦透镜(41)、倍频晶体(42)、准直透镜(43)、分光镜(44)、耦合透镜(45)、脉冲激光放大器(46)组成；聚焦透镜(41)、倍频晶体(42)、准直透镜(43)、分光镜(44)、耦合透镜(45)和脉冲激光放大器(46)依次直线放置，其中倍频晶体(42)位于聚焦透镜(41)光斑焦点处，准直透镜(43)与光斑焦点的距离等于准直透镜(43)的焦距，分光镜(44)与准直透镜(43)输出的准直光呈45度夹角，分光镜(44)的透射光方向对准脉冲激光放大器(46)的种子激光输入端，在分光镜(44)反射光方向与光
束同轴安装耦合透镜(45)，耦合透镜(45)将光汇聚入光纤；原子稳频控制单元(5)采用与文献1所述Doppler-Free Spectroscopy相同的原理形式，其输出的稳频控制信号连接到种子激光单元(1)的压电陶瓷。种子激光单元(1)的输出激光通过光纤连接到声光调制单元(2)中第一光开关(22)的输入端，声光调制单元(2)中第二光开关(23)的输出端通过光纤连接到拉曼光纤激光放大单元(3)中第一光隔离器(31)的输入端，拉曼光纤激光放大单元(3)中第二光隔离器(34)的输出端通过光纤输出到倍频与脉冲激光放大单元(4)，且输出光与聚焦透镜(41)同轴；倍频与脉冲激光放大单元(4)中耦合透镜(45)汇聚的光通过光纤传输到原子稳频控制单元(5)。本专利技术的优点是：1)种子激光单元采用光纤输出的光栅外腔反馈半导体激光器，与现有环形染料激光器相比，内部结构简单，光路短，体积小，受环境温度和震动影响小，工作更加稳定可靠；2)激光声光调制单元采用全光纤结构，与现有自由光路相比，硬件调整少，结构紧凑，体积小，受环境温度和震动影响小，工作更加稳定可靠；3)种子激光功率放大采用拉曼光纤放大方式，结构紧凑，受环境温度和震动影响小，工作更加稳定可靠；4)系统各单元之间的连接均采用光纤连接，使整机便于灵活布局和系统集成，工作受环境温度和震动影响小。附图说明：图1高空钠层风温探测激光雷达发射激光系统原理框图其中，种子激光单元1、声光调制单元2、拉曼光纤激光放大单元3、倍频与脉冲激光放大单元4和原子稳频控制单元5。图2种子激光单元原理图其中，1种子激光单元，2声光调制单元，5原子稳频控制单元。图3声光调制单元原理图其中，种子激光单元1、声光调制单元2、拉曼光纤激光放大单元3、光开关控制器21、第一光开关22、第二光开关23、第一声光调制器24、第二声光调制器25。图4拉曼光纤激光放大单元原理图其中，声光调制单元2、拉曼光纤激光放大单元3、倍频与脉冲激光放大单元4、第一光隔离器31、泵浦半导体激光器32、拉曼放大光纤33、第二光隔离器34。图5倍频与脉冲激光放大单元原理图其中，种子激光单元1、拉曼光纤激光放大单元3、倍频与脉冲激光放大单元4、原子稳频控制单元5、聚焦透镜41、倍频晶体42、准直透镜43、分光镜44、耦合透镜45、脉冲激光放大器46。具体实施方式：下面结合附图，对本专利技术作进一步的说明。1、系统结构高空钠层风温探测激光雷达发射激光系统由种子激光单元1、声光调制单元2、拉曼光纤激光放大单元3、倍频与脉冲激光放大单元
4和原子稳频控制单元5组成，如图1所示。其中，种子激光单元1采用光纤输出的光栅外腔反馈半导体激光器，输出波长为1178nm的本文档来自技高网...

【技术保护点】
高空钠层风温探测激光雷达发射系统，其特征在于，该系统由种子激光单元(1)、声光调制单元(2)、拉曼光纤激光放大单元(3)、倍频与脉冲激光放大单元(4)和原子稳频控制单元(5)组成；其中，种子激光单元(1)采用光纤输出的光栅外腔反馈半导体激光器，输出波长为1178nm的种子激光；声光调制单元(2)由光开关控制器(21)、第一光开关(22)、第二光开关(23)、第一声光调制器(24)和第二声光调制器(25)组成；第一声光调制器(24)的两端分别通过光纤连接到第一光开关(22)的第一输出端(22A)和第二光开关(23)的第一输入端(23A)，第二声光调制器(25)的两端分别通过光纤连接到第一光开关(22)的第二输出端(22B)和第二光开关23的第二输入端(23B)，第一光开关(22)的第三输出端(22C)通过光纤连接到第二光开关(23)的第三输入端(23C)；光开关控制器(21)的输出端连接到第一光开关(22)和第二光开关(23)的控制端；拉曼光纤激光放大单元(3)由第一光隔离器(31)、泵浦半导体激光器(32)、拉曼放大光纤(33)和第二光隔离器(34)组成；第一光隔离器(31)的输出端连接到拉曼放大光纤(33)，泵浦半导体激光器(32)的输出激光通过光纤连接到拉曼放大光纤(33)，拉曼放大光纤(33)的输出光进入第二光隔离器(34)的输入端；倍频与脉冲激光放大单元(4)由聚焦透镜(41)、倍频晶体(42)、准直透镜(43)、分光镜(44)、耦合透镜(45)、脉冲激光放大器(46)组成；聚焦透镜(41)、倍频晶体(42)、准直透镜(43)、分光镜(44)、耦合透镜(45)和脉冲激光放大器(46)依次直线放置，其中倍频晶体(42)位于聚焦透镜(41)光斑焦点处，准直透镜(43)与光斑焦点的距离等于准直透镜(43)的焦距，分光镜(44)与准直透镜(43)输出的准直光呈45度夹角，分光镜(44)的透射光方向对准脉冲激光放大器(46)的种子激光输入端，在分光镜(44)反射光方向与光束同轴安装耦合透镜(45)，耦合透镜(45)将光汇聚入光纤；原子稳频控制单元(5)输出的稳频控制信号连接到种子激光单元(1)的压电陶瓷，种子激光单元(1)的输出激光通过光纤连接到声光调制单元(2)中第一光开关(22)的输入端，声光调制单元(2)中第二光开关(23)的输出端通过光纤连接到拉曼光纤激光放大单元(3)中第一光隔离器(31)的输入端，拉曼光纤激光放大单元(3)中第二光隔离器(34)的输出端通过光纤输出到倍频与脉冲激光放大单元(4)，且输出光与聚焦透镜(41)同轴；倍频与脉冲激光放大单元(4)中耦合透镜(45)汇聚的光通过光纤传输到原子稳频控制单元(5)。...

【技术特征摘要】
1.高空钠层风温探测激光雷达发射系统，其特征在于，该系统由种子激光单元(1)、声光调制单元(2)、拉曼光纤激光放大单元(3)、倍频与脉冲激光放大单元(4)和原子稳频控制单元(5)组成；其中，种子激光单元(1)采用光纤输出的光栅外腔反馈半导体激光器，输出波长为1178nm的种子激光；声光调制单元(2)由光开关控制器(21)、第一光开关(22)、第二光开关(23)、第一声光调制器(24)和第二声光调制器(25)组成；第一声光调制器(24)的两端分别通过光纤连接到第一光开关(22)的第一输出端(22A)和第二光开关(23)的第一输入端(23A)，第二声光调制器(25)的两端分别通过光纤连接到第一光开关(22)的第二输出端(22B)和第二光开关23的第二输入端(23B)，第一光开关(22)的第三输出端(22C)通过光纤连接到第二光开关(23)的第三输入端(23C)；光开关控制器(21)的输出端连接到第一光开关(22)和第二光开关(23)的控制端；拉曼光纤激光放大单元(3)由第一光隔离器(31)、泵浦半导体激光器(32)、拉曼放大光纤(33)和第二光隔离器(34)组成；第一光隔离器(31)的输出端连接到拉曼放大光纤(33)，泵浦半导体激光器(32)的输出激光通过光纤连接到拉曼放大光纤(33)，拉曼放大光纤(33)的输出光进入第...

【专利技术属性】
技术研发人员：李发泉，夏媛，程学武，杨勇，林鑫，李亚娟，熊俊，陈振威，刘林美，龚顺生，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42