一種應用于鈉激光雷達的全光纖頻率上轉換種子光系統技術方案

本發明專利技術公開了一種應用于鈉激光雷達的全光纖頻率上轉換種子光系統，該系統包括：兩個連續光纖激光器、法拉第隔離器、偏振控制器、保偏波分復用器、保偏光纖、周期極化鈮酸鋰波導、多模光纖與濾光片；兩個連續光纖激光器的波長分別為1319nm和1064nm，其出射的線偏振光經單模光纖射入保偏波分復用器合并后，由保偏光纖引導進入周期極化鈮酸鋰波導；周期極化鈮酸鋰波導和頻后的信號光經多模光纖進入濾光片，由濾光片進行過濾，輸出用于鈉激光雷達的589nm種子光。通過采用本發明專利技術公開的系統，極大的提高了信號光輸出功率，從而提高了鈉雷達的環境適應性和工作穩定性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及激光雷達
，尤其涉及一種應用于鈉激光雷達的全光纖頻率上轉換種子光系統。
技術介紹
中高層大氣溫度和風場是描述中高層大氣特性的重要參數，對研究中高層大氣潮汐波、重力波、行星尺度波以及波與波之間的相互作用，中高層大氣環流和溫度結構具有非常重要意義。在中間層頂70km～120km高度區域，金屬熒光激光雷達是進行溫度和風場探測的重要手段。自70年代末以來，針對鈉熒光雷達技術國內外研究工作者開展了大量理論和實驗研究。1979年英國的Gibson和Thomas對中高層鈉原子譜線結構進行了研究，同時實現了鈉層溫度的測量，在鈉層中鈉原子密度最大高度附近溫度測量誤差±15K。1985年Fricke和von?Zahn利用準分子泵浦染料激光器實現了，在10min時間分辨率和1km距離分辨率下，精度為5K的溫度探測。1990年美國科羅拉多州立大學的She研究組和伊利諾伊大學的Gardner研究組合作，研制了利用雙頻技術的高光譜分辨率窄帶系統，并于1991年至2002年對中間層頂(80-105km)進行了一系列的溫度和風場觀測。之后科羅拉多大學與ALOMAR(Arctic?Lidar?Observatory?for?Middle?Atmosphere?Research)等合作研制了多臺鈉激光雷達。科羅拉多州立大學的激光雷達總體性能和技術指標代表了當今國際高光譜分辨率鈉激光雷達的最高水平。國內方面，中科院武漢物理與數學研究所在1996年建立了寬帶鈉層熒光激光雷達用于探測鈉原子數密度。而后在2004年和2007年進行了兩次改造，最終實現了雙波長觀測和鈉層24小時連續觀測。2004年底，中國科學技術大學與安徽光學精密機械研究所合作建成一臺米-瑞利-鈉熒光雙波長激光雷達。其發射系統由脈沖Nd:YAG(釔鋁石榴石晶體)激光器和脈沖燃料激光器組成，工作波長為532nm和589nm。其中589nm通道用于鈉原子數密度的觀測。2011年初，中國科學院空間科學與應用研究中心研制了一臺窄帶鈉激光雷達，可發射三種頻率的激光：分別為589.158nm，及對該波長調制+630MHz和-630MHz后的兩個波長。該鈉激光雷達使得國內首次探測中間層頂大氣溫度和風場成為可能。鈉激光雷達的設計和研發中，最具有挑戰的部分是產生鈉原子共振的589nm激光。目前的589nm激光器包括以下幾種：染料激光器，拉曼激光器與雙波長和頻激光器。其中，染料激光器能夠直接發射589nm激光，是目前大多數鈉激光雷達系統中使用的種子光激光器，但是染料激光器有功率低、安全性差、染料易退化、能量消耗高、性能不穩定和激光循環冷卻系統復雜等缺點，這些缺點使染料激光器在許多環境下不適用。拉曼激光器基于受激拉曼散射效應，能夠得到固體激光器不能直接發射的波長，具體有將紅外光頻移后利用非線性晶體倍頻與將532nm綠色激光直接頻移兩種方法，但是拉曼激光器有較高的泵浦閾值，泵浦光功率高達十瓦甚至百瓦量級，轉換效率低，是制約其發展的重要因素。雙波長和頻激光器通過晶體的非線性和頻效應，將兩束紅外激光轉化為黃光波段的激光，和頻的方式主要有腔內和頻與腔外和頻；而腔外和頻方法受限于較低的基頻激光功率密度，輸出的信號光功率低。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種應用于鈉激光雷達的全光纖頻率上轉換種子光系統，極大的提高了信號光輸出功率，從而提高了鈉雷達的環境適應性和工作穩定性。本專利技術的目的是通過以下技術方案實現的：一種應用于鈉激光雷達的全光纖頻率上轉換種子光系統，該系統包括：兩個連續光纖激光器、法拉第隔離器、偏振控制器、保偏波分復用器、保偏光纖、周期極化鈮酸鋰波導、多模光纖與濾光片；兩個連續光纖激光器的波長分別為1319nm和1064nm，其出射的線偏振光經單模光纖射入保偏波分復用器合并后，由保偏光纖引導進入周期極化鈮酸鋰波導；周期極化鈮酸鋰波導和頻后的信號光經多模光纖進入濾光片，由濾光片進行過濾，輸出用于鈉激光雷達的589nm種子光。進一步的，所述兩個連續光纖激光器、周期極化鈮酸鋰波導、法拉第隔離器、偏振控制器、保偏波分復用器、單模光纖、多模光纖與保偏光纖均搭配全光纖結構，構成了模塊化的全光纖光路。由上述本專利技術提供的技術方案可以看出，采用了兩個連續激光器，其出射光通過波分復用器合成一束光經多模光纖入射周期極化鈮酸鋰波導后和頻，再經過濾后輸出用于鈉激光雷達種子光；該種子光系統采用全光纖光路，具有體積小，重量輕和結構穩定的優點；采用的周期極化鈮酸鋰波導長度達5cm，極化寬度為微米量級，理論轉化效率大于99％，極大提高了信號光輸出功率；并且采用單通和頻方法，帶寬易于控制，鎖頻過程簡單，從而提高了鈉雷達的環境適應性和工作穩定性。附圖說明為了更清楚地說明本專利技術實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。圖1為本專利技術實施例提供的一種應用于鈉激光雷達的全光纖頻率上轉換種子光系統的示意圖；圖2為本專利技術實施例提供的包含該種子光系統的鈉雷達系統結構示意圖。具體實施方式下面結合本專利技術實施例中的附圖，對本專利技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本專利技術一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本專利技術的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本專利技術的保護范圍。用于測溫測風的鈉激光雷達系統(鈉測溫測風激光雷達系統)主要利用鈉原子的超精細光譜譜線結構來測量中間層頂區域的大氣溫度和大氣風場。在積分時間內，假設鈉原子和中性大氣充分混合，那么利用光譜譜線強度隨溫度和中性大氣風速的變化關系，可以根據探測的回波信號反演大氣溫度和風速。鈉原子超精細結構考慮了電子自旋和鈉原子核自旋的影響，原子核和電子之間的相互作用使得能級分裂成超精細結構。鈉激光雷達利用D2譜線分離出的D2a和D2b兩種譜線共六條離散分立的共振熒光譜線。但是實際中，由于各種不同加寬機理的作用，鈉原子的光譜是連續的，其中最主要的是多普勒增寬。多普勒增寬由鈉原子的隨機熱運動引起，主要和溫度有關。綜合考慮鈉原子的隨機熱運動和中性風多普勒頻移的影響，鈉原子的每條熒光光譜譜線可由高斯線型表示為：gn(ν,T,V)=(DπT)1/2exp[-D(ν-νn-V\本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種應用于鈉激光雷達的全光纖頻率上轉換種子光系統，其特征在于，該系統包括：兩個連續光纖激光器、法拉第隔離器、偏振控制器、保偏波分復用器、保偏光纖、周期極化鈮酸鋰波導、多模光纖與濾光片；兩個連續光纖激光器的波長分別為1319nm和1064nm，其出射的線偏振光經單模光纖射入保偏波分復用器合并后，由保偏光纖引導進入周期極化鈮酸鋰波導；周期極化鈮酸鋰波導和頻后的信號光經多模光纖進入濾光片，由濾光片進行過濾，輸出用于鈉激光雷達的589nm種子光。

【技術特征摘要】
1.一種應用于鈉激光雷達的全光纖頻率上轉換種子光系統，其特征在于，該系統包
括：兩個連續光纖激光器、法拉第隔離器、偏振控制器、保偏波分復用器、保偏光纖、
周期極化鈮酸鋰波導、多模光纖與濾光片；
兩個連續光纖激光器的波長分別為1319nm和1064nm，其出射的線偏振光經單模光
纖射入保偏波分復用器合并后，由保偏光纖引導進入周期極化鈮酸鋰...

【專利技術屬性】
技術研發人員：夏海云，裘家偉，上官明佳，王沖，竇賢康，薛向輝，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：安徽;34