超快激光超長測距系統(tǒng)研制

經(jīng)翰璋 孫彥乾 牛春暉

摘 ?要：一直以來，超長測距系統(tǒng)用途相當(dāng)廣泛，并且在實際使用中對超長測距系統(tǒng)的要求較高。而自從激光問世以來，其在測距中的應(yīng)用非常廣泛，并為超長測距的實現(xiàn)提供了有力的支持。搭建GCS-PSL實驗典型腔，輸出穩(wěn)定鎖模的激光，通過在腔內(nèi)加入不同規(guī)格的F-P標準具，改變激光脈寬，搭建改良后的邁克爾遜干涉光路，應(yīng)用自相關(guān)法和晶體非線性效應(yīng)的相應(yīng)原理，利用光電探測器測量并研究激光脈寬改變的規(guī)律，得出一般性結(jié)論。為超快激光超長測距系統(tǒng)的研制與實現(xiàn)提供了有力的支持。

關(guān)鍵詞：GCS-PSL實驗典型腔;F-P標準具;邁克爾遜干涉

中圖分類號：TN249 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）14-0051-03

Development of Ultra-fast Laser Ultra-long Ranging System

JING Hangzhang1，2，SUN Yanqian1，2，NIU Chunhui1，2

（1.Beijing Information Science & Technology University，Beijing ?100192，China;

2.Beijing Institute of Photoelectric Technology，Daheng New Epoch Technology Inc.，Beijing ?100085，China）

Abstract：Ultra-long ranging system has been widely used all the time，and has high requirements for ultra-long ranging system. Since the advent of laser，it has been widely used in ranging，and provides strong support for the realization of ultra-long ranging. The typical cavity of GCS-PSL experiment is built to output stable mode-locked laser. By adding different F-P etalons into the cavity，the laser pulse width is changed，and the improved Michelson interferometric optical path is constructed. Based on the autocorrelation method and the corresponding principle of crystal non-linear effect，the laser pulse width is measured and studied by photoelectric detector，and the general conclusion is drawn. It provides a strong support for the development and implementation of ultra-fast laser ultra-long ranging system.

Keywords：GCS-PSL experimental typical cavity;F-P etalon;Michelson interference

0 ?引 ?言

上世紀60年代中期，鎖模脈沖激光器被De Maria.等人研制出來。自此以后激光脈沖的寬度已經(jīng)由皮秒（ps）、飛秒（fs）量級，發(fā)展到阿秒（as）量級。當(dāng)激光脈沖時間寬度小于10-12秒，即達到皮秒脈沖量級時就可以稱為超短激光脈沖。

超短激光脈沖由于其特殊性擁有不可替代的作用，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。而應(yīng)用超短脈沖的前提是準確了解其脈寬相位等信息，因此超短激光脈沖測量技術(shù)同樣非常重要。研究超短激光脈沖測量方法，對超短激光脈沖的時間寬度等信息進行詳細準確的觀察和分析，在研究超快激光技術(shù)和超短脈沖的更深層次的應(yīng)用中顯得格外重要。

1 ?研究內(nèi)容

具體研究內(nèi)容如下：

（1）超快激光產(chǎn)生及鎖模原理;

（2）皮秒激光在衛(wèi)星測距領(lǐng)域的應(yīng)用;

（3）窄譜皮秒激光優(yōu)勢及實現(xiàn)方法。

2 ?實現(xiàn)方法及預(yù)期目標

2.1 ?搭建GCS-PSL實驗典型腔

GCS-PSL實驗典型腔的主要參數(shù)如表1所示。

2.1.1 ?構(gòu)建并調(diào)試同波長指示激光束

本實驗系統(tǒng)在進行搭建調(diào)試較復(fù)雜的折疊諧振腔之前，需要有一束指示激光作為后續(xù)各個諧振腔器件的放置和調(diào)節(jié)依據(jù)，具體如下：

泵源通電工作后，將電流旋鈕調(diào)至適中的4A左右，將激光晶體組件安放至預(yù)定位置并固定，晶體前后通光面方向以箭頭為準，并確保泵浦光居中入射到晶體中。

將T=3%（或8%），曲率200的激光輸出鏡組件放置于晶體前約60mm處，鍍膜面朝向晶體。緩緩轉(zhuǎn)動輸出鏡組件，同時將橘色塑料感光片放置于輸出前方的待出光位置，仔細搜尋1064nm激光瞬間閃現(xiàn)的光點，慢慢確認好輸出鏡的姿態(tài)，將其固定。進一步細調(diào)該輸出鏡的二維俯仰旋鈕，使感光片上看到的激光出射光點從分瓣的形狀逐漸變?yōu)橐粋€亮斑，更換白色陶瓷倍頻轉(zhuǎn)換片，可以進一步清晰看出光斑為亮度集中的綠色圓光點（1064nm波長激光照射在倍頻感光片上可在光斑位置激發(fā)出532nm的綠色熒光，可以清晰判斷光斑位置與形狀）。至此，同為1064nm波長的指示激光構(gòu)建完成。

2.1.2 ?放置M1腔鏡

在預(yù)定位置放置腔鏡M1，確定M1的左右位置時需要讓指示激光的光斑在其鏡面的中心（上下略偏離中心一些無所謂）。

2.1.3 ?放置M2腔鏡（在本腔型中為正式輸出鏡）

在預(yù)定位置放置腔鏡M2，調(diào)節(jié)M1的俯仰角度，使指示激光束照射到M2的鏡面中心。

2.1.4 ?放置M3腔鏡

在預(yù)定位置放置腔鏡M3，調(diào)節(jié)M2的俯仰角度，使指示激光束照射到M3的鏡面中心。

2.1.5 ?放置SESAM

在本鎖模激光腔型中，SESAM作為最后一片腔鏡，而且被放置在電控平移臺上，這就需要在電控臺的有效運動范圍內(nèi)，SESAM都在指示光束中，因此M3反射出的指示激光束需要通過調(diào)節(jié)M3的俯仰，使指示激光束沿電控臺的運動方向位于SESAM中心。

大范圍前后移動電控臺，確定指示激光束均位于SESAM的中心位置。

反過來再調(diào)節(jié)SESAM的俯仰，使指示激光束再返回至M3的光束出射位置。

2.1.6 ?撤去臨時輸出鏡，進一步微調(diào)諧振腔

將感光片置于M2（輸出鏡）后，觀察兩束輸出光的光點，微調(diào)SESAM的俯仰，使輸出光斑均為圓光斑（基橫模）。

2.1.7 ?對輸出的兩束激光分別測量功率及脈沖波形

由于兩束出射激光距離很近，只能使其中一束直接入射到功率探頭中，另一束經(jīng)過反射鏡反射至探測器的入光孔中。

2.1.8 ?結(jié)合功率讀數(shù)與波形圖樣，進一步優(yōu)化（示波器需要百兆帶寬以上）

首先需要將快速探測器的信號輸出線通過50Ω的匹配阻抗與數(shù)字示波器連接（如果示波器自帶50Ω電阻，可以不用接外置匹配阻抗），探測器“on/off”選擇到“on”，示波器調(diào)節(jié)至“直流耦合”檔。進一步加大泵源的工作電流，觀察示波器上的激光脈沖波形和功率計的讀數(shù)。

看到波形后，調(diào)節(jié)示波器的“時間旋鈕”到ns量級，需要看到頂端平齊穩(wěn)定梳狀脈沖波形。調(diào)節(jié)示波器的“時間旋鈕”到12μs，波形會變密集，甚至無法分辨每一個“脈沖峰”，但是仍然為平整的邊緣。

擁有穩(wěn)定的鎖模脈沖波形后，讀取功率計讀數(shù)，隨著泵源電流的加大，穩(wěn)定鎖模的平均功率應(yīng)可以達到500MW以上。如果不能達到，少量改變L4（腔鏡M3到SESAM的距離），并配合SESAM的俯仰，直到滿足上述要求為止。

2.1.9 ?讀取重復(fù)頻率，與量取的諧振腔長度通過公式比對

此時讀取示波器上得到的脈沖峰的重復(fù)頻率u，用刻度尺量取諧振腔的總長度L（L1+L2+L3+L4），通過公式u=C/2L，計算出的重頻與示波器讀取是否吻合，如果吻合，整個的鎖模激光諧振腔調(diào)節(jié)完成。

2.2 ?自相關(guān)法測量超短激光脈沖

自相關(guān)是指一個激光脈沖在不同時刻強度的相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為時域的相關(guān)性。自相關(guān)法測量超短激光脈沖寬度需要用到邁克爾遜干涉光路，晶體的倍頻效應(yīng)以及激光脈沖自相關(guān)的一些基本原理。

2.3 ?邁克爾遜干涉光路的設(shè)計原理

邁克爾遜干涉光路是測量裝置的主體結(jié)構(gòu)，因此邁克爾遜干涉光路的設(shè)計搭建極為重要。

2.3.1 ?自相關(guān)儀基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計

因為自相關(guān)儀屬于精度較高的光學(xué)測量儀器，對激光脈沖空間位置的控制要求很高，因此光路設(shè)計較為嚴格。激光脈沖由皮秒脈沖激光器發(fā)出，在分光棱鏡處被均勻地分為兩束傳播方向垂直的脈沖激光，然后各自經(jīng)過多次反射后匯合于一點。因為晶體的和頻效應(yīng)需要兩束激光精確地匯合于一點，所以激光光路的設(shè)計在合理地調(diào)節(jié)光路時也要注意一些技巧。設(shè)計自相關(guān)儀前應(yīng)最先考慮裝置的整體布局。因為激光器發(fā)出的光即使經(jīng)過光路調(diào)整也不會是嚴格的水平，所以隨著光路的增長，激光的傾斜量也會隨之增加，所以光路中各光學(xué)元件分布應(yīng)盡量緊密一些。其次，由于測量光路的調(diào)節(jié)過程十分復(fù)雜，因此應(yīng)盡量減少光學(xué)元件的個數(shù)。

2.3.2 ?光路搭建與調(diào)整

2.3.2.1 ?確定光路高度

在實驗裝置中，一共有兩個元件高度是固定的，很難調(diào)節(jié)。一個是皮秒激光器，皮秒激光器只能直接固定在實驗平臺上，而激光器出光口很低，離實驗平臺距離只有5cm左右;另一個是引入可變延遲線的平移臺上的全反射鏡。平移臺上全反射鏡中心高度約為12cm。由于平移臺較高，因此確定平移臺上全反射鏡的中心高度為光路的水平高度平面。

2.3.2.2 ?搭建邁克爾遜干涉光路

本實驗所用的實驗光路為鋼桿連接的同軸結(jié)構(gòu)光路，所以光路搭建比較單，只需將各個元件用合適的鋼桿連接起來固定在立柱上。在立柱上固定時的高度應(yīng)參考平移臺上反射鏡的高度，以反射鏡中心高度為光軸高度，整個光路應(yīng)盡量保持水平。

2.3.2.3 ?將激光調(diào)節(jié)到確定好的高度水平面上

由于激光器出射口較低，不在確定好的高度面上，因此需要用一些折轉(zhuǎn)光路將光路調(diào)高。

2.3.2.4 ?調(diào)節(jié)a路激光與b路激光在同與水平面內(nèi)且相互平行

為保證改變光程差時兩束光交點位置不變，必須保證兩束光在進入正透鏡會聚之前相互平行，并且在同一水平面內(nèi)。因為a路激光需要經(jīng)過一個平移臺，相對而言更復(fù)雜，所以應(yīng)該先調(diào)節(jié)a路激光使其水平。調(diào)節(jié)b路激光時，先按照調(diào)節(jié)a路激光的方法將b路激光調(diào)節(jié)至和a路激光同樣的高度并保持水平，這樣就保證了兩束激光處于同一水平面內(nèi)。

2.3.2.5 ?放置并調(diào)節(jié)晶體

在正透鏡后兩束激光交點處放置非線性晶體。非線性晶體有5個自由度，分別是3個位移自由度和2個旋轉(zhuǎn)自由度。首先將晶體固定在波片架上，在透鏡后找到兩束激光的交點，將晶體的中心位置調(diào)節(jié)到交點處。此時可以固定住晶體的高度和水平位置，使晶體只能做旋轉(zhuǎn)運動;然后旋轉(zhuǎn)晶體，包括繞立柱旋轉(zhuǎn)和波片自行旋轉(zhuǎn)晶體，使和頻光最強。

2.3.2.6 ?邁克爾遜干涉光路

從激光器發(fā)出的激光射向消偏振光分光棱鏡、分光棱鏡可以將由激光器射來的光束分成振幅近似相等的反射光a和透射光b。光束a射向平移臺上的反射鏡組;光束b射向另一組反射鏡組。a路與b路激光經(jīng)多次反射后近似平行射向凸透鏡從而在透鏡焦點處會聚。由于這兩束光來自光源上同一點，因而是相干光。通過調(diào)節(jié)可移動平臺可以改變兩束光的光程差，繼而引入可變延遲，從而實現(xiàn)一束光對另一束光的掃描。

2.3.2.7 ?非線性晶體和光電探測器

在本實驗中，晶體的位置姿態(tài)對實驗結(jié)果影響很大，所以必須謹慎考慮如何才能更好地放置與調(diào)整晶體。本實驗中，非線性晶體置于波片架上，因為波片架可繞光軸旋轉(zhuǎn)，方便調(diào)節(jié)，空間位置也比較好固定和移動。光電探測器用的是光電倍增管，其高壓為0～1000V可調(diào)，將光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。由于光電倍增管主要接收和頻信號（和頻信號為532nm的綠光），為了減小環(huán)境光噪聲影響，應(yīng)在光電倍增管前加一綠色濾光片。

2.4 ?晶體的非線性效應(yīng)

倍頻效應(yīng)于1961年被首次首先發(fā)現(xiàn)。人們將波長為694.3nm的紅光射到石英晶體上，在石英晶體后不僅探測到波長為694.3nm的紅光，而且還出現(xiàn)了波長為347.1nm的成分，即產(chǎn)生了頻率加倍的光線，也就是倍頻效應(yīng)。倍頻效應(yīng)即非線性光學(xué)效應(yīng)。當(dāng)光束射入非線性晶體時cc，在晶體后方不但可以接收到原來的激光波長成分，還可是檢測到波長為1/2入射光波長的成分，即從晶體中透出光的頻率是入射光頻率的兩倍。這種頻率加倍的光學(xué)現(xiàn)象稱作晶體的倍頻效應(yīng)。兩束激光同時進入非線性晶體還會出現(xiàn)混頻（和頻、差頻）現(xiàn)象。

2.5 ?自相關(guān)法原理

自相關(guān)測量皮秒脈沖激光時，先將皮秒脈沖激光分為兩束，假設(shè)每個激光脈沖強度的空間分布均為高斯型，相對時間延遲為τ，那么它們的時間強度分布可以用公式表示為：

由于自相關(guān)曲線值從數(shù)學(xué)上描述就是脈沖函數(shù)的卷積，實際測量中，卷積的過程即時間差變化的過程是靠改變兩束激光脈沖的光程差來實現(xiàn)的。當(dāng)兩束光所走過的光程完全相等，也就是由同一個脈沖被一分為二的兩個“相關(guān)脈沖”同時進入非線性晶體時，產(chǎn)生的和頻光最強。當(dāng)延遲線對其中一束光產(chǎn)生延遲，使兩個脈沖到達非線性晶體時產(chǎn)生了微小的“時間差”，倍頻光就會隨即減弱。直至延遲量帶來的“時間差”完全使兩個“相關(guān)脈沖”錯開，和頻光完全消失。這樣即可掃描出和頻光的強度隨延遲空間量變化的曲線，該曲線又可以根據(jù)光速轉(zhuǎn)化成隨時間量變化，取曲線的半高全寬即為相應(yīng)的脈沖寬度。

3 ?結(jié) ?論

通過在鎖模激光諧振腔中加入不同規(guī)格的F-P標準具，并分別測量相應(yīng)脈寬，進行對比得知不加入標準具時激光脈沖寬度最小，加入的標準具越寬，激光的脈沖寬度越大，由于激光線寬和脈沖寬度成反比，所以加入F-P標準具可以有效壓縮激光線寬，線寬越小激光的有效傳輸距離越遠，因此對激光脈寬展寬的研究在激光測距方面有著重要的地位。

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作者簡介：經(jīng)翰璋（1997-），男，漢族，北京人，本科，研究方向：激光測距。