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)對目標(biāo)的高分辨率成像。
經(jīng)過對現(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)對光束的有效光學(xué)移頻，并且高功率激光還會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)對光束的有效光學(xué)移頻，并且高功率激光還會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)多級激光功率放大器，每個(gè)多級激光功率放大器中的最后一級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，使每兩束光的外差頻率均不同；每束移頻光束經(jīng)過激光耦合系統(tǒng)整形后入射至多級激光功率放大器，利用多級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分光器件及移頻器件的損傷；激光功率放大器可以多級級聯(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)多級激光功率放大器5，每個(gè)多級激光功率放大器5中的最后一級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數(shù)取決于期望輸出功率或能量，至少為I級。
上述的頻率轉(zhuǎn)換器6為可以將入射光頻率或波長改變到期望頻率或波長的器件， 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、第一多級激光功率放大器5-1、第二多級激光 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對第一偏振光整形后射入第一多級激光功率放大器5-1,第一多級激光功率放大器5-1對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，使每兩束光的外差頻率均不同；每束移頻光束經(jīng)過激光耦合系統(tǒng)4整形后入射至多級激光功率放大器5，利用多級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)多級激光功率放大器(5)，每個(gè)多級激光功率放大器(5)中的最后一級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頻率改變量〈O. 1%，所述大范圍改變頻率為相對頻率改變量>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，使每兩束光的外差頻率均不同；每束移頻光束經(jīng)過激光耦合系統(tǒng)(4)整形后入射至多級激光功率放大器(5)，利用多級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)整形后入射至多級激光功率放大器，最后一級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分光器及移頻器的損傷。
文檔編號H01S3/106GK103066487SQ201210571329
公開日2013年4月24日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所