一种探测后向散射信号的光学系统技术方案

一种探测后向散射信号的光学系统。所述探测后向散射信号的光学系统包括固体激光器、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、光学导轨、气体散射池、光阱、收光系统、分光系统、信号采集与处理系统、光电倍增管以及示波器，所述固体激光器输出单纵模连续激光，通过所述90:10分光镜2分为两束，其中90%能量的部分作为激发光经所述第一反射镜、所述第二反射镜调整方向后通过所述光学导轨打进所述气体散射池，近后向180

【技术实现步骤摘要】
一种探测后向散射信号的光学系统


[0001]本专利技术涉及光散射与光谱
，尤其涉及一种探测后向散射信号的光学系统。

技术介绍

[0002]激光雷达光学探测技术是一种主动式的光学遥感手段，具有大探测范围、高时空分辨率和高精度的特点。现有的，激光雷达散射实验及应用中，散射信号的光谱探测多集中在后向180度和侧向90度方向上。其中，侧向90度方向的探测在实验室阶段应用较为广泛，但应用在实际激光雷达系统中则局限性较大；而后向180度方向的探测多采用脉冲激光器配合玻片与偏振分光棱镜的组合形式，这两种方式中，前者对激光器类型要求较高，后者对偏振分光棱镜的消光比要求较高，造成了对于后向散射信号的探测的成本提高或元件制造水平的要求提高，且上述问题在基于自发瑞利布里渊散射谱的探测中尤为突出。

技术实现思路

[0003]基于此，本专利技术提出了一种探测后向散射信号的光学系统，可用于自发瑞利布里渊散射谱的探测及气体密度测量，以解决现有的散射信号探测领域的部分局限性技术问题。
[0004]本专利技术提供一种探测后向散射信号的光学系统，包括固体激光器、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、光学导轨、气体散射池、光阱、收光系统、分光系统、信号采集与处理系统、光电倍增管以及示波器，所述固体激光器输出单纵模连续激光，通过所述90:10分光镜2分为两束，其中90%能量的部分作为激发光经所述第一反射镜、所述第二反射镜调整方向后通过所述光学导轨打进所述气体散射池，近后向180
°
的散射光由所述气体散射池后向的出光口射出，激发光的大部分由所述气体散射池前端的出光孔射出并被所述光阱捕获，近后向180
°
散射光经所述气体散射池出射后，经第一圆楔形棱镜、第二圆楔形棱镜偏转光线角度，使散射光近似平行于收光光轴，通过长焦距透镜近似获得平行光出射，经空间滤波器13滤除部分杂散光，通过光纤耦合系统将空间传输的散射光耦合进第一多模光纤传输至光纤准直器转换为平行光，入射至所述分光系统进行光谱的超精细结构分析，由所述信号采集与处理系统进行光电转换并对自发瑞利布里渊散射谱进行采集分析。
[0005]进一步的，固体激光器输出激光的90%能量部分经光学导轨入射至所述气体散射池，所述气体散射池内高能激光束与气体微粒相互作用产生散射光后，由对应散射光出口射出，10%能量部分的次激光束经过所述第三反射镜、衰减片、第三透镜、第三光纤法兰盘传输至第三多模光纤，并由光纤准直器射出，对法布里
‑
珀罗干涉仪进行调节。
[0006]进一步的，所述气体散射池7由不锈钢材料制成，所述气体散射池的前方设有2个光线出口，所述气体散射池的后方设有1个光线出口，所述气体散射池窗口镜片镀有增透膜，两端分别预留KF标准法兰接口，用作气泵、温度和压力传感器连接。
[0007]进一步的，所述第一圆楔形棱镜、所述第二圆楔形棱镜提供12
°
的光线偏向角，将
散射光偏转角度。
[0008]进一步的，所述长焦距透镜提供近似准直的平行光束。
[0009]进一步的，所述空间滤波系统由第一透镜、狭缝以及第二透镜组成，通过所述长焦距透镜后的近似平行光束经所述第一透镜后汇聚至其焦点，在焦点处放置所述狭缝滤除杂散光，后经所述第二透镜准直为一束平行光。
[0010]进一步的，所述光纤耦合系统由非球面透镜和第一光纤法兰盘组成，所述非球面透镜将系统球差降低，从而将空间光更好的耦合进入所述第一多模光纤。
[0011]进一步的，所述分光系统由第四透镜和法布里
‑
珀罗干涉仪组成，经所述光纤准直器出射的平行光经过所述第四透镜进行汇聚，经过其焦点处的所述法布里
‑
珀罗干涉仪进行光谱的超精细结构分析。
[0012]进一步的，所述信号采集与处理系统包括第五透镜、第六透镜、第二光纤法兰盘、第二多模光纤、所述单光子计数器以及所述计算机，所述单光子计数器将散射光信号转换为电压信号，并由所述计算机显示。
[0013]进一步的，所述光电倍增管和所述示波器替换所述非球面透镜后面的部件后，利用所述光电倍增管将散射光信号转换为电压信号，并由所述示波器显示，结合散射光强与气体密度之间的对应关系，可实现气体密度的准确测量。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的优势如下：本专利技术的探测后向散射信号的光学系统，能够减小后向散射信号探测时，散射光和入射激光束共轴所带来的影响。探测散射信号时，散射光出口和主激光束入口分别采用不同的窗口，将散射信号与入射主激光束分离，散射信号经所述圆楔形棱镜进行光束角度偏折。多模光纤的引入使得散射光的路径可变且方向和角度确定，同时也简化了实验光路的长度和复杂度，由于法布里
‑
珀罗干涉仪的多光束干涉特性使得布里渊频移很小的瑞利
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布里渊散射谱中的瑞利散射峰和布里渊散射峰可以分开，单光子计数器和光电倍增管的使用使得微弱信号探测的范围变广、难度降低、精度提高。散射池的设计预留三个光线的入出口，使入射主激光束、出射主激光束、散射光各行其路，互不干扰，池身预留KF标准法兰以供温度和压力控制系统的接入，从而精准控制气体散射环境参数，池内用黑色铝箔胶带缠绕，降低池内杂散光对散射信号探测的影响，提高探测信噪比的同时也节约了成本。可替换的结构和操作可以实现气体自发瑞利布里渊散射谱和气体密度的一体化探测。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的激光发射系统的示意图，图中小写字母相同的部分连接在一起，光线方向由黑色箭头指示；图2为本专利技术的光学导轨及收光系统的示意图；图3为本专利技术的气体散射池及光阱的示意图；图4为本专利技术的参考光路示意图；图5为本专利技术的分光系统的示意图；图6为本专利技术的信号采集与处理系统的示意图；图7为本专利技术的替换后的气体密度测量部分的示意图；图中：固体激光器1、分光镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、光学导轨
6、气体散射池7、光阱8、第一圆楔形棱镜10、第二圆楔形棱镜11、长焦距透镜12、空间滤波系统13、第一透镜14、狭缝15、第二透镜16、光纤耦合系统17、非球面透镜18、第一光纤法兰盘19、第一多模光纤20、光纤准直器21、分光系统22、第四透镜23、法布里
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珀罗干涉仪24、第五透镜25、第六透镜26、第二光纤法兰盘27、第二多模光纤28、衰减片30、第三透镜31、第三光纤法兰盘32、第三多模光纤33、单光子计数器35，计算机36，光电倍增管37、示波器38。
实施方式
[0016]下面将结合本专利技术实例中的附图，对本专利技术实例中的技术方案进行清楚，完整的描述，所描述的实例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0017]请参阅图1，本专利技术提供一种探测后向散射信号的光学系统，包括固体激光器1、分光镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种探测后向散射信号的光学系统，其特征在于：包括固体激光器、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、光学导轨、气体散射池、光阱、收光系统、分光系统、信号采集与处理系统、光电倍增管以及示波器，所述固体激光器输出单纵模连续激光，通过所述90:10分光镜2分为两束，其中90%能量的部分作为激发光经所述第一反射镜、所述第二反射镜调整方向后通过所述光学导轨打进所述气体散射池，近后向180
°
的散射光由所述气体散射池后向的出光口射出，激发光的大部分由所述气体散射池前端的出光孔射出并被所述光阱捕获，近后向180
°
散射光经所述气体散射池出射后，经第一圆楔形棱镜、第二圆楔形棱镜偏转光线角度，使散射光近似平行于收光光轴，通过长焦距透镜近似获得平行光出射，经空间滤波器13滤除部分杂散光，通过光纤耦合系统将空间传输的散射光耦合进第一多模光纤传输至光纤准直器转换为平行光，入射至所述分光系统进行光谱的超精细结构分析，由所述信号采集与处理系统进行光电转换并对自发瑞利布里渊散射谱线进行采集分析。2.根据权利要求1所述的一种探测后向散射信号的光学系统，其特征在于，90%能量部分经光学导轨入射至所述气体散射池，所述气体散射池内高能激光束与气体微粒相互作用产生散射光后，由对应散射光出口射出，10%能量部分的次激光束经过所述第三反射镜、衰减片、第三透镜、第三光纤法兰盘传输至第三多模光纤，并由光纤准直器射出，对法布里
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珀罗干涉仪调节。3.根据权利要求2所述的一种探测后向散射信号的光学系统，其特征在于，所述气体散射池7由不锈钢材料制成，所述气体散射池的前方设有2个光线出口，所述气体散射池的后方设有1个光线出口，所述气体散射池窗口镜片镀有增透膜，两端分别预留KF标准法兰接口，用作气泵...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴涛，闫宏达，皮偲豪，叶谌雯，何兴道，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：