一种混沌脉冲激光器
阅读说明：本技术 一种混沌脉冲激光器 (Chaotic pulse laser ) 是由 沈振民 尚卫东 郑永超 张景毫 杨颂 李同 于 2021-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种混沌脉冲激光器,包括为1064nm激光二极管提供方波脉冲电流的脉冲驱动源和提供温控的温度控制器；由可旋转半波片、偏振分光棱镜和全反射镜构成的外部全光反馈腔,用于干扰激光二级光管,从而产生混沌脉冲激光；光束整形器件用于激光光束的准直和整形；以及由光隔离器、带有LD阵列的Nd:YAG增益介质构成的混沌脉冲激光放大器,最终通过倍频晶体输出532nm的高功率混沌脉冲激光。本发明的优点在于,532nm波长的高功率混沌脉冲激光采用空间光反馈加后端功率放大的设计,具有结构简单,与其他光学器件兼容性好,且动力学行为复杂的优点。其次,混沌脉冲激光具有优良的抑制水体后向散射的能力。(The invention relates to a chaotic pulse laser, which comprises a pulse driving source and a temperature controller, wherein the pulse driving source provides square wave pulse current for a 1064nm laser diode; an external all-optical feedback cavity consisting of a rotatable half-wave plate, a polarization beam splitter prism and a total reflector is used for interfering the laser secondary light tube so as to generate chaotic pulse laser; the beam shaping device is used for collimating and shaping the laser beam; and a chaotic pulse laser amplifier composed of an optical isolator and Nd: YAG gain medium with an LD array, and finally high-power chaotic pulse laser of 532nm is output through a frequency doubling crystal. The invention has the advantages that the high-power chaotic pulse laser with the wavelength of 532nm adopts the design of space optical feedback and rear-end power amplification, and has the advantages of simple structure, good compatibility with other optical devices and complex dynamic behavior. And secondly, the chaotic pulse laser has excellent capability of inhibiting the backward scattering of the water body.)
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种混沌脉冲激光器。
背景技术
混沌信号是确定性系统产生的类噪声信号，拥有良好的自相关、互相关特性。作为雷达波形，宽带混沌信号具有图钉型模糊函数、良好的距离、速度分辨力和低截获概率，所以宽带混沌信号是雷达应用的一种理想的信号。
半导体激光器由于其所用材料和结构的固有特性，使得其对外部微扰十分敏感，易于产生非线性动态输出，具有十分丰富的动力学行为。在无外部扰动时，当注入电流超过阈值(满足产生激光的条件)，半导体激光器的输出经历短时间驰豫振荡，系统很快就达到稳定。只有在半导体激光器中增加一个自由度，才能实现半导体激光器的非线性动态输出。目前增加自由度使半导体激光器产生非线性动态输出的基本方法有4种：电流调制、外部光注入、光电反馈和全光反馈。
但目前研究的主要是连续混沌激光输出，且波长以红外波段为主，可用于混沌保密通信、混沌激光空间测距等方面。但要用于水下激光测距，需要研究蓝绿波段的混沌激光；其次，要开展水下远距离测距，脉冲激光相比于连续激光在相同功耗下能够探测更远的距离；另外，要实现混沌激光水下远距离的传输，激光二极管产生的混沌脉冲激光后端需加放大装置，实现高功率混沌脉冲激光的输出。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种混沌脉冲激光器，产生具有优良的抑制水体后向散射的能力的混沌脉冲激光。
本发明解决技术的方案是：一种混沌脉冲激光器，该激光器包括脉冲驱动源、温度控制器、1064nm激光二极管、光束整形器件；
脉冲驱动源，用于输出方波脉冲调制电流；
1064nm激光二极管，在方波脉冲调制电流激励下产生1064nm的脉冲激光，记为第一脉冲激光，接收光学反馈腔返回的脉冲激光，记为第二脉冲激光，第二脉冲激光对第一脉冲激光形成干扰，从而产生1064nm混沌脉冲激光；
温度控制器，用于控制1064nm激光二极管温度处于预设范围内；
光束整形器件，将1064nm激光二极管输出的第一脉冲激光整形并准直输出；接收光学反馈腔反馈的第二脉冲激光输出给1064nm激光二极管；
光学反馈腔，用于将第一脉冲激光沿原路反射，得到第二脉冲激光。
优选地，所述光学反馈腔包括可旋转半波片、偏振分光棱镜、全反射镜；
可旋转半波片、偏振分光棱镜和全反射镜依次放置于光束整形器件输出光束的光路上，从光束整形器件输出的脉冲激光经过可旋转半波片，进入偏振分光棱镜，偏振分光棱镜对该光束进行透射和反射，其中反射光进入全反射镜，由全反射镜全反射的脉冲激光反馈回来，再经过偏振分光棱镜、可旋转半波片返回至光束整形器件；
旋转半波片，用于控制偏振分光棱镜透射光和反射光的强度比例，通过精细调节旋转半波片，控制透射光和反射光的强度比例在某一范围内，从而使得1064nm激光二极管产生1064nm混沌脉冲激光的输出。
上述高功率混沌脉冲激光器还包括混沌脉冲激光放大器，所述混沌脉冲激光放大器包括光隔离器、带有LD阵列的Nd:YAG增益介质；
光隔离器、带有LD阵列的Nd:YAG增益介质依次放置于偏振分光棱镜透射输出光束的光路上，从偏振分光棱镜透射输出的1064nm混沌脉冲激光通过光隔离器、进入Nd:YAG增益介质实现对混沌脉冲激光功率的放大，实现高功率1064nm混沌脉冲激光的输出；
光隔离器，用于隔离进入Nd:YAG增益介质中激光光束的返回，增益介质用于实现混沌脉冲激光功率的放大。
上述高功率混沌脉冲激光器还包括倍频晶体；
倍频晶体放置于增益介质输出光束的光路上，将1064nm的混沌脉冲激光转为532nm的混沌脉冲激光。
优选地，所述方波脉冲调制电流强度以激光二极管的阈值电流作为参考，是激光二极管的阈值电流的1.2～2.5倍，频率不高于20MHz，占空比为40％～60％。
优选地，所述偏振分光棱镜6消光比大于等于1000:1。
优选地，所述1064nm激光二极管激光输出端口位于光束整形器件的焦点上。
优选地，所述偏振分光棱镜和全反射镜的间距设置为10～50mm。
优选地，所述方波脉冲调制电流的脉冲周期小于等于1064nm激光二极管输出的脉冲激光光束经过光束整形器件和光学反馈腔反馈回来，再次到达1064nm激光二极管的延迟时间。
优选地，所述旋转半波片的调节方法如下：
S1、将光电探测器放置在偏振分光棱镜的前侧，即激光输出方向，光电探测器的输出端连接示波器，示波器用于观察输出激光的时域波形；
S2、通过旋转半波片，使反馈强度为0，通过示波器观察到的是第一脉冲激光；
S3、朝某一方向精细调节半波片，使反馈强度逐步增加，当反馈强度慢慢增加到某一强度时，从示波器上看到原本平滑的方波脉冲顶端将产生类似噪声的抖动，进步步骤S4；
S4、然后在此反馈强度的精细地调节半波片，寻找出抖动幅度最大的位置，此时输出的即为最大功率的“宏脉冲”混沌激光。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明提供的这种高功率混沌脉冲激光器，以空间光外腔反馈方式输出混沌脉冲激光，由半波片、偏振分光棱镜和全反射镜构成的外腔，具有结构紧凑、转换效率高的特点；
(2)、本发明由方波脉冲驱动源调制的1064nm激光二极管产生的脉冲激光在腔内被反射后，进入到激光二极管内部产生干扰，干扰程度(反馈强度)通过旋转半波片来调节，当反馈强度合适时，会产生“混沌脉冲激光输出——即通过对半导体激光器外部参量(反馈强度、时间等)的控制，系统将产生复杂的动态变化，最终进入混沌态，经激光放大器实现高功率混沌脉冲激光的输出。
(3)、本发明空间光外腔全光反馈方式产生的混沌激光相比于电流调制、外部光注入、光电反馈方式而言，具有结构简单，与其他光学器件兼容性好等特点，且动力学行为复杂，较大地拓展了混沌半导体激光器在水下测距方面的应用。
附图说明
图1为本发明实施例高功率混沌脉冲激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1示出了本发明提出的一种高功率混沌脉冲激光器的结构。如图1所示，该激光器包括：脉冲驱动源1、温度控制器2、488nm激光二极管3、光束整形器件4、可旋转半波片5、偏振分光棱镜6、全反射镜7、光隔离器8、带有LD阵列的Nd:YAG增益介质9、倍频晶体10。
脉冲驱动源1，用于输出方波脉冲调制电流；
1064nm激光二极管3，在方波脉冲调制电流激励下产生1064nm的脉冲激光，记为第一脉冲激光，接收光学反馈腔返回的脉冲激光，记为第二脉冲激光，第二脉冲激光对第一脉冲激光形成干扰，从而产生1064nm混沌脉冲激光；
温度控制器2，用于控制1064nm激光二极管3温度处于预设范围内，1064nm激光二极管3的温度范围为20～25°。
光束整形器件4，将1064nm激光二极管3输出的第一脉冲激光整形并准直输出；接收光学反馈腔反馈的第二脉冲激光输出给1064nm激光二极管(3)；
光学反馈腔，用于将第一脉冲激光沿原路反射，得到第二脉冲激光。
所述光学反馈腔包括可旋转半波片5、偏振分光棱镜6、全反射镜7；
可旋转半波片5、偏振分光棱镜6和全反射镜7依次放置于光束整形器件4输出光束的光路上，从光束整形器件4输出的脉冲激光经过可旋转半波片5，进入偏振分光棱镜6，偏振分光棱镜6对该光束进行透射和反射，其中反射光进入全反射镜7，由全反射镜7全反射的脉冲激光反馈回来，再经过偏振分光棱镜6、可旋转半波片5返回至光束整形器件4。
旋转半波片5，用于控制偏振分光棱镜6透射光和反射光的强度比例，通过精细调节旋转半波片5，控制透射光和反射光的强度比例在某一范围内，从而使得1064nm激光二极管3产生1064nm混沌脉冲激光的输出。
光隔离器8、带有LD阵列的Nd:YAG增益介质9构成所述混沌脉冲激光放大器。
光隔离器8、带有LD阵列的Nd:YAG增益介质9依次放置于偏振分光棱镜6透射输出光束的光路上，从偏振分光棱镜6透射输出的1064nm混沌脉冲激光通过光隔离器8、进入Nd:YAG增益介质9实现对混沌脉冲激光功率的放大，实现高功率1064nm混沌脉冲激光的输出；
光隔离器8，用于隔离进入Nd:YAG增益介质9中激光光束的返回，增益介质9用于实现混沌脉冲激光功率的放大。
倍频晶体10放置于增益介质9输出光束的光路上，将1064nm的混沌脉冲激光转为532nm的混沌脉冲激光。
所述方波脉冲调制电流强度以激光二极管的阈值电流作为参考，是激光二极管的阈值电流的1.2～2.5倍，频率不高于20MHz，占空比为40％～60％。
所述偏振分光棱镜6消光比大于等于1000:1。
所述全反射镜反射率大于96％@1064nm。
1064nm激光二极管3激光输出端口位于光束整形器件4的焦点上。
偏振分光棱镜6和全反射镜7的间距设置为10～50mm。
所述方波脉冲调制电流的脉冲周期小于等于1064nm激光二极管3输出的脉冲激光光束经过光束整形器件4和光学反馈腔反馈回来，再次到达1064nm激光二极管3的延迟时间。
所述旋转半波片的调节方法如下：
S1、将光电探测器放置在偏振分光棱镜的前侧，即激光输出方向，光电探测器的输出端连接示波器，示波器用于观察输出激光的时域波形；
S2、通过旋转半波片，使反馈强度为0，通过示波器观察到的是第一脉冲激光；
S3、朝某一方向精细调节半波片，使反馈强度逐步增加，当反馈强度慢慢增加到某一强度时，从示波器上看到原本平滑的方波脉冲顶端将产生类似噪声的抖动，进步步骤S4；
S4、然后在此反馈强度的精细地调节半波片，寻找出抖动幅度最大的位置，此时输出的即为最大功率的“宏脉冲”混沌激光。
实施例：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1示出了本发明提出的一种高功率混沌脉冲激光器的结构。如图1所示，该激光器包括：脉冲驱动源1、温度控制器2、488nm激光二极管3、光束整形器件4、可旋转半波片5、偏振分光棱镜6、全反射镜7、光隔离器8、带有LD阵列的Nd:YAG增益介质9、倍频晶体10。
其中1064nm激光二极管3可固定于配套的安装座上，激光驱动源1和温度控制器3与安装座上各自对应的电接口连接，二者分别用于给激光二极管3提供方波脉冲调制电流和温度控制。方波脉冲调制电流以激光二极管的阈值电流作为参考，一般是阈值电流的1.2～2.5倍，温度控制以20℃或25℃为宜。二者加载于激光二极管后，将得到常规脉冲激光输出。
要得到混沌脉冲激光输出，需要采用外腔全光反馈技术。其外腔由可旋转半波片5、偏振分光棱镜6和全反射镜7组成，其中偏振分光棱镜消光比为1000:1，全反射镜反射率大于96％@488nm。首先通过旋转半波片，使反馈强度为0，然后朝某一方向精细调节半波片，使反馈强度逐步增加。在此过程中，将探测器放置在偏振分光棱镜的前侧，即激光输出方向，用示波器观察输出激光的时域波形。当反馈强度为0时，示波器观察到的是常规的方波脉冲激光；当反馈强度慢慢增加到某一强度时，从示波器上看到原本平滑的方波脉冲顶端将产生类似噪声的抖动，然后在此反馈强度的小范围内精细地调节半波片，寻找出抖动幅度最大的位置，此时输出的即为最大功率的“宏脉冲”混沌激光。其中偏振分光棱镜6和全反射镜7的间距可设置为10～50mm。
通过调节脉冲驱动源1产生方波的重复频率和占空比，可得到各种重复频率和脉宽的488nm波长的混沌“宏脉冲”激光，即这种激光的重复频率和脉宽可在一定范围内调节。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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