一种臭氧激光雷达发射系统及使用方法

技术领域

本发明涉及激光雷达的技术领域，尤其涉及一种臭氧激光雷达发射系统及使用方法。

背景技术

激光雷达，以激光为光源，通过探测激光与大气互相作用的辐射信号来遥感大气，实时反演大气成分参数廓线。臭氧是地球大气中重要的微量成分之一，平均的含量大约为10-100ppb(体积比)，大部分集中在10-30km的平流层中，对流层臭氧含量仅占10％左右。对流层的臭氧主要为自然源，其显著特征是吸收太阳光谱中大部分的紫外波段，从而保护地面的动植物免受紫外辐射的伤害；而对流层，尤其是边界层内的臭氧主要是人为源，由于其强氧化特性，高浓度的臭氧会对人类健康、动植物生长和生态环境产生直接严重危害，并形成光化学烟雾污染，现已成为国家环保部重点监控的六种大气主要污染物主要污染物之一(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3)。

臭氧激光雷达的发射单元由发射光源和发射光路两部分组成。根据测量需要，选用了ND:YAG固态激光器作为激光光源。该激光器可产生高能266nm波长的激光光束，该激光光束作为泵浦能量，泵浦拉曼管激发产生289nm、316nm两个臭氧差分吸收波长，通过宽带反射镜发射到大气中，与待测量气体产生吸收效应。对拉曼管中充入不同气压的惰性气体，会直接影响对289nm、316nm波段的拉曼激发效率，从而提高激光雷达探测的整体性能。

由于在激发拉曼气体时，需要在拉曼管内使用聚焦透镜对激光光源进行聚焦。因此，在拉曼管两端的平凸镜片上容易产生回光现象。外加激光器波长为紫外波段，单光子能量较高，回光容易对激光器造成损伤。

发明内容

为了解决了上述技术问题，本发明提出了一种臭氧激光雷达发射系统及使用方法，具体技术方案如下：

一种臭氧激光雷达发射系统，包括按光路依次设置的激光器、谐波分束组件、拉曼管、宽带反射镜组件，所述拉曼管中充有不同气压的惰性气体，激光器与拉曼管之间设置有隔离器，所述隔离器包括按发射光路依次设置的偏振分束片和四分之一波片，所述四分之一波片的角度可调。

具体地说，所述隔离器与光路偏转设定角度。

具体地说，设定角度小于等于3°。

具体地说，所述谐波分束组件与拉曼管之间还设置有将光路转向设定角度的反射镜组件。

具体地说，所述反射镜组件包括按光路依次设置的第一反射镜和第二反射镜。

具体地说，所述拉曼管包括不锈钢管和设置在不锈钢管内的第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一法兰、第二法兰，所述第一平凸透镜和第二平凸透镜分别通过对应的第一法兰和第二法兰固定在不锈钢管内的两端位置，使不锈钢管两端为密封状。

具体地说，所述拉曼管还包括数显一体压力表，所述数显一体压力表设置在不锈钢管的管内，且位置避开第一平凸透镜和第二平凸透镜之间的光路。

具体地说，所述拉曼管内充有0.6-0.7Mpa氘气。

具体地说，所述谐波分束组件包括按光路依次设置的第一谐波分束器和第二谐波分束器。

使用上述一种臭氧激光雷达发射系统的方法，包括以下步骤：

激光器发出若干个不同的波长的线偏振光激光光束；

谐波分束组件将若干个不同的波长的激光光束分开，并反射出其中第一波长的线偏振光激光光束；

隔离器中的偏振分束片保证激光器发出的第一波长的线偏振光激光光束P光透射或S光反射，所述隔离器中的四分之一波片使第一波长的线偏振光激光光最大限度透过或反射后再旋转45°，将激光器发出的线偏振光转变为圆偏振光；

圆偏振光进入到充入不同气压的惰性气体拉曼管内，从拉满管内射出的光束经过宽带反射镜组件后利用光谱仪和能量计测量射出光谱。

本发明的优点在于：

(1)所述偏振分束片保证266nm的线偏振光激光光束高效透射通过或反射；所述四分之一波片的角度可调，使所述266nm的线偏振光激光光束最大限度透过或反射后再旋转45°，将Nd：YAG固定激光器发出的线偏振光转变为圆偏振光；激光束一旦受后续光路影响产生返回光时，回光通过四分之一波片后，圆偏振光转变为与原线偏振光偏振态垂直的线偏振光，因此可以有效解决回光损伤激光器的问题。

(2)偏转的角度范围不能大于3°，从而实现不损伤激光器的基础上，保证了光学镜片的透过率。

(3)反射镜组件包括第一反射镜和第二反射镜，均为266nm高反镜片，有效减小发射系统的体积。

附图说明

图1为一种臭氧激光雷达发射系统的结构图。

图2为图1中隔离器隔离反射光的原理图。

图3为拉曼管的结构示意图。

图中：

1、激光器；21、第一谐波分束器；22、第二谐波分束器；31、偏振分束片；32、四分之一波片；41、第一反射镜；42、第二反射镜；5、拉曼管；51、不锈钢管；52、第一平凸透镜；53、第一法兰；54、第二法兰；55、第二平凸透镜；56、数显一体压力表；61、第一宽带反射镜；62、第二宽带反射镜；63、第三宽带反射镜。

具体实施方式

如图1所示，一种臭氧激光雷达发射系统，包括按出光光路依次设置的激光器1、谐波分束器组件、隔离器、反射镜组件、拉曼管、宽带反射镜组件，以下分别对各部件进行详细介绍。

所述激光器1为Nd：YAG固定激光器1，Nd：YAG固定激光器1用于发出波长为1064nm、532nm和266nm的线偏振光激光光束；

谐波分束器组件用于分开不同波长的激光光束谐波，并且反射出波长为266nm的线偏振光激光光束；在该方案中，谐波分束器组件包括第一谐波分束器21和第二谐波分束器22。

隔离器包括依光路依次设置的偏振分束片31和四分之一波片32；所述偏振分束片31保证激光器1发出的波长为266nm的偏振光激光光束高效透射(P光)或反射(S光)；所述四分之一波片32的角度可调，使波长为266nm的偏振光激光光束最大限度透过或反射后再旋转45°，将Nd：YAG固定激光器1发出的线偏振光转变为圆偏振光；激光束一旦受后续光路影响产生返回光时，回光通过四分之一波片32后，圆偏振光转变为与原线偏振光偏振态垂直的线偏振光。再经过偏振分束片31时，原透射光变为反射光(原反射光可变为透射光)，改变了原始的光路方向，避免回光损伤激光器1。优化的，所述偏振分束片31和四分之一波片32需为抗损伤阈值较高的光学镜片，如图2所示，线偏振光P光(带有横线的方向线表示)经过依次经过偏振分束片31和四分之一波片32后，形成的圆偏振光(用带有椭圆形的方向线表示)返回后经过四分之一波片32、偏振分束片31后的光束改变原始方向，变为线偏振光S光，方向为图中带黑色圆点的方向。偏振分束片31为高功率激光偏振分束片。为防止所述偏振分束片31和四分之一波片32自身反射的光损伤激光器1，安装时隔离器须根据实际光路偏转设定角度。为保证光学镜片的透过率，偏转的角度范围不能大于3°。

反射镜组件包括第一反射镜41和第二反射镜42，均为266nm高反镜片，有效减小发射系统的体积。

如图3所示，所述拉曼管5包括不锈钢管51和设置在不锈钢管51内的第一平凸透镜52、第二平凸透镜55、第一法兰53、第二法兰54、数显一体压力表56，所述第一平凸透镜52和第二平凸透镜55分别通过对应的第一法兰53和第二法兰54固定在不锈钢管51内的两端位置，所述数显一体压力表56设置在不锈钢管51的管内，且位置不能遮挡管内光路。具体地说，所述不锈钢管51使用的是直径为28mm、壁厚2mm、长度为1m的316不锈钢管51，第一平凸透镜52和第二平凸透镜55的焦距为500mm。在所述不锈钢管51的管内充入气体，形成一定压力的气体池。所述第一平凸透镜52和第二平凸透镜55为激光照入后在气体池激发拉曼反应提供光路支撑。所述第一法兰53和第二法兰54用于固定拉曼管5两端并形成气体密封。所述数显一体压力表56主要用于控制和显示气体压力。拉曼管5中冲入不同气压的气体，拉曼激发出289nm、316nm激光，特别地，充入氘气范围内289nm转化效率最高。

所述宽带反射镜组件包括依发射光路设置的第一宽带反射镜61、第二宽带反射镜62、第三宽带反射镜63，通过反射向大气发射波长为266nm、289nm、316nm的激光光束。所述宽带反射镜组件用来改变光路，方便产品装调。

使用上述系统的方法如下：包括以下步骤：

激光器1发出若干个不同的波长的线偏振光激光光束；

谐波分束组件将若干个不同的波长的激光光束分开，并反射出其中第一波长的线偏振光激光光束；

隔离器中的偏振分束片31保证激光器1发出的第一波长的线偏振光激光光束P光透射或S光反射，所述隔离器中的四分之一波片32使第一波长的线偏振光激光光最大限度透过或反射后再旋转45°，将激光器1发出的线偏振光转变为圆偏振光；

圆偏振光经过反射镜组件4反射，进入到充入不同气压的惰性气体拉曼管5内，从拉满管5内射出的光束经过宽带反射镜组件后利用光谱仪和能量计测量射出光谱。

为了得到实验数据，本申请中的臭氧激光雷达发射系统激发出来的波长为289nm、316nm光束通过系统后端的分色片分光，在拉曼管5中充入不同气压的气体，利用光谱仪、能量计等仪器记录289nm、316nm各波段的能量随氘气气压的变化。

具体地说，本申请的拉曼管5内充有氘气，289nm、316nm各波段拉曼转化效率随气压的变化如图3所示。由图得出结论：在气体池中氘气气压小于1.5MPa时，289nm波段的拉曼转化效率高于316nm波段，尤其在氘气气压小于1MPa时，289nm波段的拉曼转化效率明显高于316nm波段。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。