CN102707331A - 基于偏振的收发一体化亚纳秒脉冲激光探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于偏振的收发一体化亚纳秒脉冲激光探测系统，属于激光技术领域。本发明是由偏振激光作为探测光源，通过旋转同轴的1/2波片和1/4波片调整线偏振激光的偏振方向，实现发射信号与接收信号在偏振分光棱镜处分离。传统的光学发射、光学接收窗口分离的激光探测系统存在探测盲区，而本发明采用了光学系统收发合一的模式，并采用亚纳秒脉冲激光进行探测，提高了探测过程中的抗悬浮粒子和云雾干扰能力，同时提高了探测精度。尤其适用于中近程激光测距，具有良好的应用前景。

Description

基于偏振的收发一体化亚纳秒脉冲激光探测系统

技术领域

本发明涉及一种基于偏振的收发一体化亚纳秒脉冲激光探测系统，属于激光技术领域。

背景技术

传统脉冲体制激光探测系统中光学窗口采用发射光学系统和接收光学系统独立的模式。由于安装位置，发射光学系统中心和接收光学系统中心之间存在基线距离，在光路中不可避免的存在探测盲区，加之采用的脉冲激光二极管受管子本身特性的限制，不可能实现亚纳秒脉冲激光，一般产生几十纳秒的脉冲信号，导致测距精度不高。

发明内容

本发明的目的是为提高激光类探测系统的炸点精确控制和抗云雾等干扰能力，提供一种基于偏振的收发一体化亚纳秒脉冲激光探测系统，该系统在共用伽利略望远系统的前提下，利用光的偏振特性，实现发射信号与接收信号的分离，完成对目标的探测。

本发明的目的是通过下述方案实现的。

一种基于偏振的收发一体化亚纳秒脉冲激光探测系统，包括激光光源、发射光束整形系统、1/2波片、偏振分光棱镜、1/4波片、伽利略望远系统、窄带滤光片、接收光束会聚系统、光电探测器；其中，发射信号依次经过发射光束整形系统、1/2波片、偏振分光棱镜、1/4波片和伽利略望远系统。其中，激光光源、发射光束整形系统、1/2波片、偏振分光棱镜、1/4波片、伽利略望远系统位于系统主光轴的共心位置，且顺次排列；1/2波片和1/4波片与主光轴垂直；窄带滤光片、接收光束会聚系统、光电探测器位于偏振分光棱镜的一侧，且与系统主光轴垂直的方向上，并依次排列。激光光源的发光面或发光点位于发射光束整形系统的焦点，窄带滤光片紧贴接收光束会聚系统放置，并且光电探测器的光敏面位于接收光束会聚系统的焦点。

所述激光光源，为探测系统提供偏振窄脉宽的脉冲激光作为发射信号；采用亚纳秒偏振激光光源，或者其他的非偏振激光光源，再将其转换为偏振光。

所述发射光束整形系统，对发射激光光束进行整形，使光束能够全部通过1/2波片。

所述1/2波片，调整发射信号的偏振方向，使激光光源发出的线偏光完全变成平行于入射面振动的透射线偏振光(P光)，完全通过偏振分光棱镜，而不反射。

所述偏振分光棱镜，将通过它的光分为垂直于入射面(主截面)振动的反射线偏振光(S光)和平行于入射面振动的透射线偏振光(P光)，从而实现发射信号与接收信号的分离。

所述1/4波片，将收发信号的相位差调整为π/2。

所述伽利略望远系统，对光束进行准直和扩束，提高探测系统的探测距离。

所述窄带滤光片，起到光学滤波作用。根据所选用的激光波长进行镀膜，仅使中心波长附近±αnm的激光通过，从而起到抗干扰作用。所述αnm根据系统设计所要求的灵敏度确定。

所述接收光束会聚系统，对接收的光束进行会聚，使接收回波激光最大化地会聚到光电探测器的光敏面上。

所述光电探测器，实现对所选用波长的激光的光电转换。

本系统的具体工作过为：激光光源发射线偏光，经1/2波片的调整，使其完全透射过偏振分光棱镜，再调整1/4波片，使其快轴与线偏光的偏振方向成45°，使线偏光经过它后成为圆偏光。圆偏光通过伽利略望远系统，遇到目标后反射回来，第二次经过1/4波片，变回线偏光，此时的偏振方向与原来的偏振方向发生90°的偏转。因此，反射回来的线偏光通过偏振分光棱镜完全反射，而不透射，并经窄带滤光片、接收光束会聚系统后，在接收探测器上得到回波信号。从而，实现了在共用一套收发一体化的光学探测系统的前提下发射信号与接收信号的分离，并实现了探测功能。

有益效果

本发明与传统的光学窗口分离的光学系统的优势在于：第一，无盲区工作。由于本发明采用了收发合一的模式，可实现激光探测的无盲区工作。第二，提高探测精度。采用亚纳秒激光作为光源，相比于几十纳秒的激光光源，可大大提高测距精度。第三，采用超窄脉冲，可提高抗悬浮粒子和抗云雾的干扰能力。

本发明采用了LD泵浦的被动调Q Nd³⁺:YAG/Cr⁴⁺:YAG微腔激光器作为激光光源，输出峰值功率高，光束发散角小，尤其适用于中近程激光测距，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的基于偏振的收发一体化亚纳秒脉冲激光探测系统组成示意图；

图2为现有技术的激光收发光学系统的结构示意图。

标号说明：

1-激光光源，2-发射光束整形系统，3-1/2波片，4-偏振分光棱镜，5-1/4波片，6-伽利略望远系统，7-目标，8-窄带滤光片，9-接收光束会聚系统，10-光电探测器。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明的基于偏振的收发一体化亚纳秒脉冲激光探测系统组成如图1所示，包括激光光源1、发射光束整形系统2、1/2波片3、偏振分光棱镜4、1/4波片5、伽利略望远系统6、窄带滤光片8、接收光束会聚系统9和光电探测器10。目标7为被测试样品。

本实施例中，激光光源1采用LD泵浦的被动调Q Nd³⁺:YAG/Cr⁴⁺:YAG微腔激光器；发射光束整形系统2采用平凸透镜OLB10-040；1/2波片3采用GCL-060616；偏振分光棱镜4采用GCC-402052；1/4波片5采用GCL-060606；伽利略望远系统6采用激光扩束镜LBE1064-5；窄带滤光片8根据需要定制，可使中心波长附近±2nm的激光通过；接收光束会聚系统9采用平凸透镜OLB40-050；光电探测器10采用GT101光电二极管，光敏面尺寸Φ0.2mm。

LD泵浦的被动调Q Nd³⁺:YAG/Cr⁴⁺:YAG微腔激光器的发射功率千瓦量级，激光发散角小，脉冲宽度可以做到几个纳秒量级，甚至亚纳秒量级，从而使得本实例的系统测距精度大大提高。

现有技术的激光收发光学系统的结构如图2所示，由于发射、接收光学装置安装位置分离，因此存在一定范围的盲区。本发明基于偏振方式，采用一个伽利略望远系统实现发射和接收，探测视场不存在盲区。

本实施例的基于偏振的收发一体化亚纳秒脉冲激光探测系统的搭建过程为：

第一步：在光学平台上，将所有的器件的中心都调整到位于同一高度的平面上；

第二步：将激光光源的发光面或发光点调整到发射光束整形系统的焦点处，固定激光光源和发射光束整形系统，并使发射光完全通过发射光束整形系统；

第三步：依次固定好1/2波片和偏振分光棱镜，并调节1/2波片，使发射光完全通过偏振分光棱镜；

第四步：依次固定好1/4波片和伽利略望远系统，调节并使发射光完全通过；

第五步：在偏振分光棱镜的一侧依次固定好窄带滤光片、接收光束会聚系统和光电探测器，并调节到共轴位置；将窄带滤光片紧贴接收光束会聚系统放置，并且光电探测器的光敏面位于接收光束会聚系统的焦点处；

第六步：试验表明，目标由近至远移动，则探测器收到的回波信号的幅值由大变小。

由此证明本发明的基于偏振的收发一体化亚纳秒脉冲激光探测系统可以实现在共用一套光学系统的前提下完成发射信号和接收信号的分离，最终完成对目标的探测任务。

Claims (3)

1.基于偏振的收发一体化亚纳秒脉冲激光探测系统，其特征在于：包括激光光源、发射光束整形系统、1/2波片、偏振分光棱镜、1/4波片、伽利略望远系统、窄带滤光片、接收光束会聚系统、光电探测器；其中，发射信号依次经过发射光束整形系统、1/2波片、偏振分光棱镜、1/4波片和伽利略望远系统；其中，激光光源、发射光束整形系统、1/2波片、偏振分光棱镜、1/4波片、伽利略望远系统位于系统主光轴的共心位置，且顺次排列；1/2波片和1/4波片与主光轴垂直；窄带滤光片、接收光束会聚系统、光电探测器位于偏振分光棱镜的一侧，且与系统主光轴垂直的方向上，并依次排列；激光光源的发光面或发光点位于发射光束整形系统的焦点，窄带滤光片紧贴接收光束会聚系统放置，并且光电探测器的光敏面位于接收光束会聚系统的焦点；

所述激光光源提供偏振窄脉宽的脉冲激光作为发射信号；

所述发射光束整形系统使发射激光光束全部通过1/2波片；

所述1/2波片，调整发射信号的偏振方向，使激光光源发出的线偏光完全变成平行于入射面振动的透射线偏振光，完全通过偏振分光棱镜；

所述偏振分光棱镜，将入射光分为垂直于入射面振动的反射线偏振光和平行于入射面振动的透射线偏振光，实现发射信号与接收信号的分离；

所述1/4波片，将收发信号的相位差调整为π/2；

所述伽利略望远系统，对光束进行准直和扩束；

所述窄带滤光片根据所选用的激光波长进行镀膜，仅使中心波长附近±αnm的激光通过；

所述接收光束会聚系统，对接收的光束进行会聚，使接收回波激光最大化地会聚到光电探测器的光敏面上。

2.根据权利要求1所述的基于偏振的收发一体化亚纳秒脉冲激光探测系统，其特征在于：激光光源采用亚纳秒偏振激光光源，或者非偏振激光光源以及将其转换为偏振光的转换装置。

3.根据权利要求1所述的基于偏振的收发一体化亚纳秒脉冲激光探测系统，其特征在于：作为一个具体实施，激光光源采用LD泵浦的被动调QNd³⁺:YAG/Cr⁴⁺:YAG微腔激光器。

Images