一种差分吸收激光雷达用实验光源制造技术

本发明专利技术公开了一种差分吸收激光雷达用实验光源，包括激光器，激光器泵浦波长为266nm的激光光束；激光光束经折转系统、聚焦透镜后进入拉曼管，拉曼管抽运氘气产生受激拉曼散射与四波混频效应，将激光转换为波长为289nm和316nm的高阶斯托克斯光；高阶斯托克斯光由出射端的聚焦透镜调节发散角后，进入分光棱镜；分光棱镜将不同波长的光束分开，以便于观察光斑及探测光斑能量。本发明专利技术采用上述实验光源，出射的斯托克斯光能量值稳定，中高臭氧浓度的探测高度可达5km，低臭氧浓度的探测高度可达6km，能够满足差分吸收雷达的光源能量需求。能够满足差分吸收雷达的光源能量需求。能够满足差分吸收雷达的光源能量需求。

【技术实现步骤摘要】
一种差分吸收激光雷达用实验光源


[0001]本专利技术涉及激光雷达
，尤其是涉及一种差分吸收激光雷达用实验光源。

技术介绍

[0002]随着现代工业化进程的快速发展，平流层的臭氧浓度开始减少，甚至在南极上空出现了臭氧空洞。同时，生产生活产生的氮氧化物在太阳光的催化下发生了一系列的化学反应，最终导致近地面的臭氧浓度不断增加。平流层的臭氧浓度降低而对流层以及近地面的臭氧浓度上升会带来严重后果，故开展臭氧浓度垂直廓线的观测对生态环境、人体健康、经济发展等方面有着很重要的意义。
[0003]差分吸收激光雷达可对大范围的大气污染进行遥感监测，能够提供臭氧浓度的时空特征分布，是测量大气臭氧浓度的重要工具。差分吸收激光雷达(DIAL)是基于气体差分吸收的原理，通过选取两束不同波长的激光，这两个波长分别选在待测气体的强吸收截面和弱吸收截面上，利用待测吸收气体对两个激光波长的吸收差别确定两个脉冲激光共同路径上待测气体的浓度。差分吸收激光雷达一方面提高了测量精度，另一方面对激光的波长有了更多的要求。而受激拉曼散射效应可以产生多波长、高强度的相干辐射，因此在拓宽激光波长方面有着很大的应用前景，为差分吸收激光雷达新的研究方向和研究思路。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是将拉曼管引入激光实验光源发射系统，从而为差分吸收激光雷达提供多种波长光束，以满足高质量大气臭氧探测需求。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案，
[0006]一种差分吸收激光雷达用实验光源，包括：<br/>[0007]激光器，泵浦波长为266nm的激光光束；
[0008]拉曼管，抽运氘气产生受激拉曼散射与四波混频效应，将激光转换为波长为289nm和316nm的高阶斯托克斯光；
[0009]聚焦透镜，设置于拉曼管的进出光口位置，用于调节光束的发散角；
[0010]分光棱镜，用于分离不同波长的光束，并投影至观察屏上。
[0011]优选的，所述拉曼管采用Herriott池结构，其内设置三光程的拉曼池。
[0012]优选的，所述拉曼管与激光器之间设置两组折转系统，每组折转系统设置有两只45度偏转镜。
[0013]优选的，所述拉曼管包括主体管壁及两端法兰，二者间采用M6螺栓连接；主体管壁上设有进出气体管及阀门，且进气管上增设用于监测管内气压值的气压表；法兰内嵌了石英玻璃，与法兰胶合间增设了密封圈；主体管壁两端增设安装支架。
[0014]本专利技术采用上述结构的差分吸收激光雷达用实验光源，出射的斯托克斯光能量值稳定，中高臭氧浓度的探测高度可达5km，低臭氧浓度的探测高度可达6km，能够满足差分吸收雷达的光源能量需求。
附图说明
[0015]图1为本专利技术实施例中光源的框架图；
[0016]图2为本专利技术实施例中三种拉曼介质吸收光谱图；
[0017]图3为Hython数据库下载的紫外波段的臭氧吸收截面数据；
[0018]图4为本专利技术实施例中266nm、289nm及316nm波长激光在不同臭氧模式下的单程透过率；
[0019]图5为本专利技术实施例中不同臭氧浓度下白天289nm与316nm通道信噪比仿真曲线；
[0020]图6为本专利技术实施例中不同臭氧浓度下夜晚289nm与316nm通道信噪比仿真曲线；
[0021]图7为本专利技术实施例中不同能量下白天289nm与316nm通道信噪比仿真曲线；
[0022]图8为本专利技术实施例中不同能量下夜晚289nm与316nm通道信噪比仿真曲线；
[0023]图9为本专利技术实施例中氘气的一级稳态和瞬态的受激拉曼增益曲线；
[0024]图10为本专利技术实施例中仅由FWM产生的二阶Stokes光的转化效率；
[0025]图11为本专利技术实施例中三光程拉曼管优化仿真结果图；
[0026]图12为本专利技术实施例中三光程拉曼管优化光束能量探测图；
[0027]图13为本专利技术实施例中四个节点选取位置；
[0028]图14为本专利技术实施例中四个节点0
‑
3MPa分析；
[0029]图15为本专利技术实施例中光源扩展实验装置原理图；
[0030]图16为本专利技术实施例中光源扩展实验装置整体结构图；
[0031]图17为本专利技术实施例中光斑图；
[0032]图18为本专利技术实施例中2.8atm不同泵浦光能量对反斯托克斯光影响；
[0033]图19为本专利技术实施例中2.8atm不同泵浦光能量对斯托克斯光影响；
[0034]图20为本专利技术实施例中2.8atm不同泵浦光能量下S1与S2的转换效率；
[0035]图21为本专利技术实施例中100mJ下反斯托克斯光的转换效率；
[0036]图22为本专利技术实施例中100mJ下斯托克斯光的转换效率；
[0037]图23为本专利技术实施例中100mJ下S1与S2的整体转换效率；
[0038]图24为本专利技术实施例中输出光源的能量的稳定性实验的观测值。
具体实施方式
[0039]以下结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0040]差分吸收激光雷达的光源的主要分为三部分，激光发射模块、光源波长拓展模块以及光束扩束模块，其系统框图如图1所示。1064nm激光器经过倍频晶体后将激光波长转化为532nm以及266nm，并通过反射镜透射532nm和1064nm的激光光束，反射266nm的激光光束。该波长激光光束再进入由聚焦透镜以及拉曼管组成的光源波长拓展系统，266nm激光波长在拉曼管里同时产生受激拉曼散射和四波混频的现象。最后通过光源的扩束系统，将通过压缩受激拉曼产生的高级斯托克斯光的激光光束的发散角后，再将差分激光波长发射到大气之中。
[0041]一、拉曼管出射波长及出射能量的选取
[0042]本方案选用三种常用的拉曼介质气体，基于波长与波数的数值关系分别计算了各活性气体的斯托克斯光及反斯托克斯光的波长，见表1。其中，S
i
、AS
i
和P分别表示i阶斯托克
斯光、i阶反斯托克斯光以及抽运光，
[0043]表1 Nd:YAG四倍频激光器(266nm)泵浦各气体产生各阶受激拉曼散射波长
[0044][0045]如图2所示，氢气、氘气以及甲烷气体在经过受激拉曼散射后可以拓展激光光源的波长，氘气可以得到266
‑
289nm、289
‑
316nm波长对，氢气可以得到266
‑
299nm、299
‑
342nm波长对，甲烷可以得到266
‑
288nm、288
‑
315nm波长对。
[0046]如图3所示，若选用299
‑
342nm作为差分吸收波长对，两光波的波长间距较大，做差分吸收计算时的误差较大，且在342nm时臭氧的对该波长的吸收几乎为零，无法进行差分计算。其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种差分吸收激光雷达用实验光源，其特征在于，包括：激光器，泵浦波长为266nm的激光光束；拉曼管，抽运氘气产生受激拉曼散射与四波混频效应，将激光转换为波长为289nm和316nm的高阶斯托克斯光；聚焦透镜，设置于拉曼管的进出光口位置，用于调节光束的发散角；分光棱镜，用于分离不同波长的光束，并投影至观察屏上。2.根据权利要求1所述的差分吸收激光雷达用实验光源，其特征在于，所述拉曼管采用Herriott池结构，其内设置三光程的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋媛，王旭晖，卢超，魏瑞，杨创华，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：