一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统，该系统包括：两个连续光纤激光器、法拉第隔离器、偏振控制器、保偏波分复用器、保偏光纤、周期极化铌酸锂波导、多模光纤与滤光片；两个连续光纤激光器的波长分别为1319nm和1064nm，其出射的线偏振光经单模光纤射入保偏波分复用器合并后，由保偏光纤引导进入周期极化铌酸锂波导；周期极化铌酸锂波导和频后的信号光经多模光纤进入滤光片，由滤光片进行过滤，输出用于钠激光雷达的589nm种子光。通过采用本发明专利技术公开的系统，极大的提高了信号光输出功率，从而提高了钠雷达的环境适应性和工作稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光雷达
，尤其涉及一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统。
技术介绍
中高层大气温度和风场是描述中高层大气特性的重要参数，对研究中高层大气潮汐波、重力波、行星尺度波以及波与波之间的相互作用，中高层大气环流和温度结构具有非常重要意义。在中间层顶70km～120km高度区域，金属荧光激光雷达是进行温度和风场探测的重要手段。自70年代末以来，针对钠荧光雷达技术国内外研究工作者开展了大量理论和实验研究。1979年英国的Gibson和Thomas对中高层钠原子谱线结构进行了研究，同时实现了钠层温度的测量，在钠层中钠原子密度最大高度附近温度测量误差±15K。1985年Fricke和von Zahn利用准分子泵浦染料激光器实现了，在10min时间分辨率和1km距离分辨率下，精度为5K的温度探测。1990年美国科罗拉多州立大学的She研究组和伊利诺伊大学的Gardner研究组合作，研制了利用双频技术的高光谱分辨率窄带系统，并于1991年至2002年对中间层顶(80-105km)进行了一系列的温度和风场观测。之后科罗拉多大学与ALOMAR(Arctic Lidar Observatory for Middle Atmosphere Research)等合作研制了多台钠激光雷达。科罗拉多州立大学的激光雷达总体性能和技术指标代表了当今国际高光谱分辨率钠激光雷达的最高水平。国内方面，中科院武汉物理与数学研究所在1996年建立了宽带钠层荧光激光雷达用于探测钠原子数密度。而后在2004年和2007年进行了两次改造，最终实现了双波长观测和钠层24小时连续观测。2004年底，中国科学技术大学与安徽光学精密机械研究所合作建成一台米-瑞利-钠荧光双波长激光雷达。其发射系统由脉冲Nd:YAG(钇铝石榴石晶体)激光器和脉冲燃料激光器组成，工作波长为532nm和589nm。其中589nm通道用于钠原子数密度的观测。2011年初，中国科学院空间科学与应用研究中心研制了一台窄带钠激光雷达，可发射三种频率的激光：分别为589.158nm，及对该波长调制+630MHz和-630MHz后的两个波长。该钠激光雷达使得国内首次探测中间层顶大气温度和风场成为可能。钠激光雷达的设计和研发中，最具有挑战的部分是产生钠原子共振的589nm激光。目前的589nm激光器包括以下几种：染料激光器，拉曼激光器与双波长和频激光器。其中，染料激光器能够直接发射589nm激光，是目前大多数钠激光雷达系统中使用的种子光激光器，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、性能不稳定和激光循环冷却系统复杂等缺点，这些缺点使染料激光器在许多环境下不适用。拉曼激光器基于受激拉曼散射效应，能够得到固体激光器不能直接发射的波长，具体有将红外光频移后利用非线性晶体倍频与将532nm绿色激光直接频移两种方法，但是拉曼激光器有较高的泵浦阈值，泵浦光功率高达十瓦甚至百瓦量级，转换效率低，是制约其发展的重要因素。双波长和频激光器通过晶体的非线性和频效应，将两束红外激光转化为黄光波段的激光，和频的方式主要有腔内和频与腔外和频；而腔外和频方法受限于较低的基频激光功率密度，输出的信号光功率低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统，极大的提高了信号光输出功率，从而提高了钠雷达的环境适应性和工作稳定性。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统，该系统包括：两个连续光纤激光器、法拉第隔离器、偏振控制器、保偏波分复用器、保偏光纤、周期极化铌酸锂波导、多模光纤与滤光片；两个连续光纤激光器的波长分别为1319nm和1064nm，其出射的线偏振光经单模光纤射入保偏波分复用器合并后，由保偏光纤引导进入周期极化铌酸锂波导；周期极化铌酸锂波导和频后的信号光经多模光纤进入滤光片，由滤光片进行过滤，输出用于钠激光雷达的589nm种子光。进一步的，所述两个连续光纤激光器、周期极化铌酸锂波导、法拉第隔离器、偏振控制器、保偏波分复用器、单模光纤、多模光纤与保偏光纤均搭配全光纤结构，构成了模块化的全光纤光路。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，采用了两个连续激光器，其出射光通过波分复用器合成一束光经多模光纤入射周期极化铌酸锂波导后和频，再经过滤后输出用于钠激光雷达种子光；该种子光系统采用全光纤光路，具有体积小，重量轻和结构稳定的优点；采用的周期极化铌酸锂波导长度达5cm，极化宽度为微米量级，理论转化效率大于99％，极大提高了信号光输出功率；并且采用单通和频方法，带宽易于控制，锁频过程简单，从而提高了钠雷达的环境适应性和工作稳定性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统的示意图；图2为本专利技术实施例提供的包含该种子光系统的钠雷达系统结构示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。用于测温测风的钠激光雷达系统(钠测温测风激光雷达系统)主要利用钠原子的超精细光谱谱线结构来测量中间层顶区域的大气温度和大气风场。在积分时间内，假设钠原子和中性大气充分混合，那么利用光谱谱线强度随温度和中性大气风速的变化关系，可以根据探测的回波信号反演大气温度和风速。钠原子超精细结构考虑了电子自旋和钠原子核自旋的影响，原子核和电子之间的相互作用使得能级分裂成超精细结构。钠激光雷达利用D2谱线分离出的D2a和D2b两种谱线共六条离散分立的共振荧光谱线。但是实际中，由于各种不同加宽机理的作用，钠原子的光谱是连续的，其中最主要的是多普勒增宽。多普勒增宽由钠原子的随机热运动引起，主要和温度有关。综合考虑钠原子的随机热运动和中性风多普勒频移的影响，钠原子的每条荧光光谱谱线可由高斯线型表示为：gn(ν,T,V)=(DπT)1/2exp[-D(ν-νn-V\本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统，其特征在于，该系统包括：两个连续光纤激光器、法拉第隔离器、偏振控制器、保偏波分复用器、保偏光纤、周期极化铌酸锂波导、多模光纤与滤光片；两个连续光纤激光器的波长分别为1319nm和1064nm，其出射的线偏振光经单模光纤射入保偏波分复用器合并后，由保偏光纤引导进入周期极化铌酸锂波导；周期极化铌酸锂波导和频后的信号光经多模光纤进入滤光片，由滤光片进行过滤，输出用于钠激光雷达的589nm种子光。

【技术特征摘要】
1.一种应用于钠激光雷达的全光纤频率上转换种子光系统，其特征在于，该系统包
括：两个连续光纤激光器、法拉第隔离器、偏振控制器、保偏波分复用器、保偏光纤、
周期极化铌酸锂波导、多模光纤与滤光片；
两个连续光纤激光器的波长分别为1319nm和1064nm，其出射的线偏振光经单模光
纤射入保偏波分复用器合并后，由保偏光纤引导进入周期极化铌酸锂...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏海云，裘家伟，上官明佳，王冲，窦贤康，薛向辉，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34