[发明专利]一种基于种子注入式激光器的种子光进行激光频率锁定的装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光遥感技术领域，尤其涉及一种基于种子注入式激光器的种子光进行激光频率锁定的装置。

背景技术

目前，瑞利测风激光雷达是观测中高层大气风场的一种有力工具，雷达通过鉴频器将光学信号的频率信息转化为强度信息，比较出射光和大气后向散射光的相对频移，根据多普勒原理，反演出回波信号方向上的大气风速。大部分的瑞利测风激光雷达选用种子注入式的Nd：YAG脉冲激光器作为雷达光源：一个较小的稳频1064nm激光器输出连续的1064nm激光，作为“种子”注入一个较大的激光震荡腔和放大级中，生成与种子激光器频率相同的1064nm激光脉冲，然后根据需要可以进行倍频或三倍频，产生532nm或355nm的激光脉冲，为了在高空获得较高的回波信号强度，雷达通常会选择532nm或355nm作为工作波长。

鉴频器是直接影响雷达测量精度的关键器件，国际上常用的一种鉴频器称为可调谐式(Fabry-Perot，F-P)干涉仪，或者可调谐式F-P标准具：在两块间隔距离可调节的平行平板上镀针对工作波长的高反射膜，若有工作波长的光入射到F-P标准具上，就会在两块平板间形成多次反射，入射光在标准具上的透过率直接与其频率直接相关，因而可以通过检测激光的透过率来反演光的频率信息。

在一个激光雷达系统中，出射激光的频率和F-P标准具频谱的初始相对位置，决定着测量的精度和准确度，但是由于激光器的出射光频率会受到环境温度等因素的影响，标准具自身的频谱也会随时间发生微小的变化，因此在激光雷达测量中，维持出射激光频率与F-P标准具频谱的相对位置，即对出射激光进行频率锁定的技术就显得十分重要的。现有瑞利测风激光雷达所使用的标准具常见的结构是在标准具的通光面分出三个区域：两个信号通道和一个锁定通道。在三个区域分别镀不同厚度的膜，因而导致三个区域的腔长(即标准具两平行平板的距离)产生差异，这种差异会反映在标准具三个通道的频谱特性上，使三个通道的频谱曲线在频域上有一个固定的相对位置关系。如图1所示为现有技术中F-P标准具三个通道的频谱曲线的示意图，图中横坐标是激光频率，纵坐标是激光在标准具上的透过率；两侧的两个频谱(1)和(2)为信号通道频谱，中间的(3)为锁定通道频谱，其中：两信号通道频谱的交点与锁定通道频谱的半高位置横坐标相同。

在现有技术的锁频方案中，用于锁频的锁定用激光就是发射进入大气的532nm或355nm脉冲激光，测量脉冲光光强时，测量信噪比低；而且由于脉冲的上升和下降时间很快，通常的探测器响应时间跟不上，会导致对脉冲波形的测量失真，准确性差，这些缺点就会导致测量的透过率精度和准确性低，进一步导致雷达系统测量精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于种子注入式激光器的种子光进行激光频率锁定的装置，可以提升频率锁定中光强测量的信噪比和准确性，进而提高瑞利测风激光雷达系统的测量精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于种子注入式激光器的种子光进行激光频率锁定的装置，所述装置包括种子注入式激光器，电光调制器，可调谐式F-P标准具，分束片，光电探测器，数据采集与分析单元，F-P标准具控制器，其中：

所述种子注入式激光器，用于输出1064nm的连续种子激光；

所述可调谐式F-P标准具针对种子激光的1064nm波长设计标准具的锁定通道参数，并针对532nm或355nm的工作波长设计标准具的两个信号通道参数，且三个通道的频谱相对位置满足设计要求：锁定通道频谱的半高位置与两个信号通道频谱交点位置的横坐标相同；

所述电光调制器，用于在频率锁定操作前，对所述种子注入式激光器输出的激光频率进行调制，使所述可调谐式F-P标准具三个通道的频谱相对位置满足上述设计要求，且在满足上述设计要求时种子激光在所述锁定通道上的透过率值即为锁频基准值；

在频率锁定操作时，所述1064nm的连续种子激光分出一部分用作锁定用激光，该锁定用激光经过所述电光调制器后，通过所述分束片按照一定的比例分割为两部分，一部分直接进入一个光电探测器，测量其光强；另一部分用透镜转化成平行光的形式，入射进所述可调谐式F-P标准具的锁定通道，通过该可调谐式F-P标准具之后，再用另一个光电探测器测量其光强；

所述数据采集与分析单元，用于根据该锁定用激光的分割比例，以及采集到的两个光电探测器的测量值，得到该锁定用激光在所述可调谐式F-P标准具锁定通道上的透过率实测值，将该实测值与所述锁频基准值比较，若有差别，则控制所述F-P标准具控制器进行调节；