脉冲固体激光发生器以及包括它的远距离固体激光测距机的制作方法

本发明涉及激光测距，尤其是一种脉冲固体激光发生器以及包括它的远距离固体激光测距机。

背景技术：

1、脉冲固体激光发生器凭借高峰值功率、窄脉宽的输出特性，是远距离激光测距、激光遥感探测等领域的核心光源。其中，侧面泵浦结构因散热路径短、功率扩展性强，被广泛应用于中高功率脉冲固体激光器中。

2、目前，主流的侧面泵浦电光调q脉冲固体激光器普遍采用单块nd:yag增益晶体搭配一组环绕式激光二极管泵浦单元的谐振腔架构，通过腔内电光调q组件实现巨脉冲激光输出。此架构下，可注入的泵浦总功率受限于单块nd:yag晶体的热承载能力，单脉冲输出能量难以进一步提升；若强行提高单组泵浦单元的注入功率，晶体内势必形成显著热梯度，引发剧烈的热透镜效应与热致双折射效应，如此，不但会劣化输出光束质量、降低光-光转换效率，且会增加晶体应力开裂的风险，无法满足远距离高精度探测场景对高能量、高质量脉冲激光的应用需求。

3、因此，如何在确保光束质量与器件运行可靠性的前提下提升脉冲固体激光器的单脉冲输出能量，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种脉冲固体激光发生器，旨在解决现有单块nd:yag晶体侧面泵浦架构泵浦功率受限、强行提功会引发严重热效应、劣化光束质量且降低器件可靠性的问题。

2、本发明涉及了一种脉冲固体激光发生器，包括全反镜、输出镜、泵浦源组件、增益介质组件以及电光调q组件；全反镜与输出镜沿同一光轴相对布置，构成光学谐振腔；

3、增益介质组件由两块沿光轴方向串联排布于光学谐振腔内的nd:yag晶体组成；

4、泵浦源组件由两组激光二极管泵浦单元组成；两组激光二极管泵浦单元与两块nd:yag晶体一一对应设置；各组激光二极管泵浦单元分别环绕对应的nd:yag晶体的侧面布置，以侧面泵浦方式向对应的nd:yag晶体注入泵浦光；

5、电光调q组件沿光轴设置于光学谐振腔内部，由偏振片、rtp电光调q晶体与1/4波片沿光路依次排布组成；偏振片筛选出线偏振光，维持光学谐振腔内单一偏振态振荡；rtp电光调q晶体通过施加与撤去高压电场改变双折射特性，切换光学谐振腔的q值；1/4波片配合偏振片与rtp电光调q晶体完成偏振态切换。

6、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，输出镜的出光侧沿光路依次设置窗口片、光楔和光电二极管；窗口片贴合输出镜的出光端面设置，且其两个光学表面均镀制1064nm增透膜；光楔倾斜布置于窗口片的出光侧；光电二极管的光敏面朝向光楔的分光光路设置，采集激光输出的时序信号与功率信号。

7、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，脉冲固体激光发生器还包括一体化金属壳体和多组密封结构；一体化金属壳体围合形成封闭的激光腔体，全反镜、输出镜、泵浦源组件、增益介质组件、电光调q组件均设置于激光腔体内部；一体化金属壳体上设置充气嘴和排气口；充气嘴与排气口均与激光腔体连通；充气嘴用于向激光腔体充入保护气体；排气口用于排出激光腔体内的原有气体。

8、作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，激光腔体内部设置热沉、半导体制冷器、导热块和散热翅片；两块nd:yag晶体与两组激光二极管泵浦单元一一对应固定于热沉的上表面；半导体制冷器的冷端贴合于热沉的下表面；导热块连接半导体制冷器的热端与散热翅片；散热翅片布置于一体化金属壳体的散热腔体内部，且其与一体化金属壳体的外壁导热接触，通过与外界空气的自然对流将热量传导至外部环境。

9、作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，热沉的周向边缘设置环形隔热槽；环形隔热槽阻隔热沉产生的热量向一体化金属壳体的非散热区域扩散。

10、作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，脉冲固体激光发生器还包括温控电路；温控电路由热敏电阻温度传感器、微控制器和场效应晶体管桥电路组成；热敏电阻温度传感器贴合于热沉表面，输出温度采样信号至微控制器；微控制器将接收的温度采样信号与设定温度值进行偏差计算，经pid运算调整后输出控制信号至场效应晶体管桥电路；场效应晶体管桥电路连接半导体制冷器，调控半导体制冷器的电流方向与幅值，实现加热或制冷功能。

11、再者，本发明还公开了一种远距离固体激光测距机，包括发射镜头、接收镜头、控制系统、电源以及上述脉冲固体激光发生器；

12、脉冲固体激光发生器的出光光路对应发射镜头的入射端；接收镜头的出光光路对应控制系统的光电探测输入端；电源为脉冲固体激光发生器和控制系统供电；

13、接收镜头内部沿入射光路依次设置前透镜组、视场光阑、胶合透镜、滤光片、聚焦平凸透镜和雪崩光电二极管；视场光阑位于前透镜组的焦平面处，限制接收视场范围；滤光片为1064nm窄带滤光片；雪崩光电二极管的光敏面与接收镜头的出射焦点重合，实现光电信号转换。

14、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，发射镜头为伽利略式扩束结构，由沿光路依次排布的双凹透镜、发射端第一弯月透镜、发射端第二弯月透镜和发射端平凸透镜组成；双凹透镜用于对入射激光束发散扩束；发射端第一弯月透镜与发射端第二弯月透镜用于校正球面像差；发射端平凸透镜用于输出准直激光光束。

15、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，前透镜组由沿入射光路依次排布的接收端第一平凸透镜、接收端第一弯月透镜和接收端平凹透镜组成；胶合透镜由接收端第二弯月透镜与接收端双凸透镜胶合而成。

16、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，接收镜头设有接收镜筒；接收镜筒的筒壁开设有视场光阑调整孔；视场光阑嵌装于接收镜筒的内腔；经视场光阑调整孔可沿光轴方向移动、绕光轴周向转动以调整视场光阑的位置，调整完成后视场光阑与接收镜筒相对固定。

17、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，控制系统由激光器驱动电路板、雪崩光电二极管放大电路板和主控电路板组成；

18、激光器驱动电路板与脉冲固体激光发生器电连接，输出泵浦源驱动信号与电光调q高压控制信号；

19、雪崩光电二极管放大电路板与雪崩光电二极管电连接，对转换后的电信号进行多级放大与阈值整形；

20、主控电路板分别与激光器驱动电路板、雪崩光电二极管放大电路板电连接，依据激光主波信号与回波信号的时间差计算被测目标距离，向激光器驱动电路板与雪崩光电二极管放大电路板输出控制参数，并实现与上位机的数据交互。

21、作为本发明所公开技术方案的更进一步改进，主控电路板集成有距离选通模块、重频配置模块、电流调节模块和整机自检模块；

22、距离选通模块与雪崩光电二极管放大电路板电连接，设定回波信号的有效接收时间窗口，滤除时间窗口外的杂散干扰信号；

23、重频配置模块与激光器驱动电路板电连接，配置激光脉冲的发射重复频率；

24、电流调节模块与激光器驱动电路板电连接，调节激光二极管泵浦单元的驱动电流幅值；

25、整机自检模块分别与激光器驱动电路板、雪崩光电二极管放大电路板和电源电连接，在上电阶段或接收到自检指令时，检测激光器驱动电路板、雪崩光电二极管放大电路板和电源的工作状态，并反馈自检结果。

26、作为本发明所公开技术方案的进一步改进，远距离固体激光测距机还包括测距机整机壳体；发射镜头、脉冲固体激光发生器、接收镜头和控制系统均固定安装于测距机整机壳体的内部；测距机整机壳体的各装配配合面均嵌装有密封结构，形成与外界环境隔离的封闭内腔。

27、就脉冲固体激光发生器而言，其在具体应用中至少可取得以下几方面的有益技术效果，具体为：

28、1）由两块nd:yag晶体构成的增益介质组件搭配两组一一对应的激光二极管泵浦单元，可提高光学谐振腔的总注入泵浦功率与总增益，提升单脉冲输出能量；且泵浦产生的热负载分散至两块nd:yag晶体承载，减小单块nd:yag晶体内部的热梯度，从而缓解了热透镜效应与热致双折射效应，降低单块nd:yag晶体因热应力集中开裂的风险，同时提高光-光转换效率与器件运行可靠性；

29、2）由偏振片、rtp电光调q晶体与1/4波片组成的电光调q组件，可维持光学谐振腔内的单一偏振态振荡，通过施加与撤去高压电场改变双折射特性，完成光学谐振腔的q值切换与偏振态切换，输出窄脉宽、高峰值功率的激光脉冲；且两块nd:yag晶体构成的增益介质组件可抑制热效应对光束的畸变作用，输出光束质量不随泵浦功率提升而劣化，从而利于实现高能量、高质量脉冲激光的稳定输出。

30、就远距离固体激光测距机而言，其在具体应用中至少可取得以下几方面的有益技术效果，具体为：

31、1）采用上述脉冲固体激光发生器作为发射光源，输出的脉冲激光经发射镜头扩束准直后向外发射，可降低光束远距离传输的发散损耗，拓展有效测距范围；且控制系统同步管控激光发射与回波探测过程，基于飞行时间原理计算目标距离，保证测距结果的准确性；

32、2）接收镜头采用前透镜组、视场光阑、胶合透镜、1064nm窄带滤光片、聚焦平凸透镜与雪崩光电二极管沿入射光路依次排布的结构，视场光阑设置于前透镜组的焦平面处，可限定接收视场范围，阻挡轴外杂散光进入后续光路；1064nm窄带滤光片过滤非目标波段的环境背景光，聚焦平凸透镜将有效回波光精准汇聚至雪崩光电二极管的光敏面，利于提升回波信号的信噪比与探测灵敏度，最终确保远距离微弱回波信号的可靠探测。