CN105928618B - 一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统。包括信号馈入单元、光学色散单元和信号检测单元。信号馈入单元采用一根芯径0.6mm、数值孔径0.12的光纤将传导的信号光馈入光学色散单元；光学色散单元包含两组级联的准Littrow结构布局的光栅色散系统，能高效传输并以1.0mm nm‑1的线色散率将393.0‑424.0nm范围通带信号光在焦面上色散，同时对带外354.8nm附近光产生优于6个数量级的抑制；信号检测单元能以0.8nm的谱精度分辨与记录色散后的通带信号光。在354.8nm紫外激光辐射下，气态、液态和固态水的振转Raman谱区依次对应395‑409nm、396‑410nm和401‑418nm范围；本发明通带光谱范围覆盖了三相态水的振转Raman谱区，实现对三相态水Raman谱信号的同时检测，还能对354.8nm附近光信号产生大幅抑制。
Description
技术领域
本发明涉及一种能同时检测由气态、液态和固态水产生的振转Raman谱信号的双光栅光谱仪系统。
背景技术
水是自然条件下唯一能在大气中以三相态存在的物质。水汽在大气中时刻存在，云是液水或冰水的主要载体。水汽与云在大气中的存在与变化，都会直接对大气环境等产生巨大影响。精确掌握大气水的含量、分布及相态等信息在许多大气研究领域是非常必要的。实现对大气水的高精度探测需要付出极大的技术努力。水Raman激光雷达利用水的振转Raman谱探测大气水，拥有高时空分辨率的优势。具备光谱分辨能力的水Raman激光雷达系统，理论上能同时检测由三相态水产生的Raman谱信号，进而实现对大气中三相态水的同时高精度探测。
在激光雷达系统中引入Raman光谱技术实现对大气中三相态水的同时高精度探测，核心难点在于高效的、具有适当色散能力的Raman光谱仪系统的构造：其一，分子的Raman散射相对于弹性的Mie/Rayleigh散射而言是一种效率极低的散射，导致Raman散射信号在强度上往往要比弹性散射信号弱3-6个数量级，这要求光谱仪系统能够从极强的弹性干扰信号中有效检出极弱的Raman目标信号。其二，水汽在大气中的含量相对N2和O2分子而言要少很多，而液态或冰态水的含量通常比水汽含量还少，进而由大气水产生的Raman回波极弱，这要求光谱仪系统能尽量高效提取并传输水Raman信号。其三，三相态水的振转Raman谱在频谱上部分交叠，谱峰位置也互不相同。例如，在354.8nm紫外激光照射时，由固态、液态和气态水产生的振转Raman谱依次分布在395-409nm、396-410nm和401-418nm范围，谱峰值依次位于399nm、401-403nm(与温度相关)及407.5nm。这要求光谱仪系统具备恰当的光谱范围与光谱分辨能力，能够有效记录并还原由三相态水产生的振转Raman谱。最后，在与激光雷达的光学接收系统配合工作时，要求光谱仪系统拥有高效的信号传输方式，保证激光雷达系统整体光路布局灵活、紧凑与稳定。当前，常见的商用光谱仪往往不能方便地与激光雷达光学接收系统直接连接，不利于系统整体光路的布局，同时难以灵活地按照预定色散方式将三相态水Raman谱信号在空间上展开并与后续的探测器配合，以充分发挥激光雷达高时空分辨率的优势。综合考虑以上因素，针对性地构造出高效的、拥有适当色散能力的光谱仪系统，对研制具有谱分辨能力的能同时探测大气中三相态水的Raman激光雷达系统是非常有帮助的。
发明内容
本发明的目的是提出了一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统，该系统能同时分辨并记录由三相态水产生的振转Raman谱信号。系统由信号馈入单元、光学色散单元和信号检测单元三部分组成，其中信号馈入单元提供方便灵活的光学接入方式，实现信号的传导与馈入；光学色散单元实现对覆盖三相态水Raman谱区的393.0-424.0nm范围光的高效传输并以1.0mm nm-1的线色散率在空间上色散开来，并大幅抑制354.8nm附近光；信号检测单元实现以0.8nm的谱精度分辨与记录色散后的通带信号光。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统，该系统由信号馈入单元、光学色散单元和信号检测单元等三部分组成。信号馈入单元由一根芯径0.6mm、数值孔径0.12的多模光纤组成；光学色散单元由透镜1与光栅1、透镜2与光栅2等组成；信号检测单元包含一个阵列式多通道的探测器。
光纤出端口中心精准位于透镜1的焦点上。经光纤传导的信号光通过光纤出端口后，首先照射由透镜1和光栅1组成的第一级光栅色散系统。透镜1直径100mm，焦距300mm，双面镀增透膜，对393.0-424.0nm范围光透过率大于99％；光栅1为平面反射式闪耀光栅，刻线密度600gr mm-1，闪耀波长410nm，闪耀角度6.89°，工作角度9.27°，衍射级次为一级。透镜1和光栅1准Littrow结构布局，将入射信号光初步色散后汇聚在透镜1焦面上。其中，波长在393.0-424.0nm范围光对应的一级衍射光点能够通过透镜1焦面上长8mm×宽5mm的预留矩形小孔；波长354.8nm附近光对应的一级衍射光点汇聚在透镜1焦面上不同位置且不能通过矩形小孔。经过矩形小孔的信号光接着照射由透镜2和光栅2组成的第二级光栅色散系统。透镜2直径100mm，焦距400mm，双面镀增透膜，对393.0-424.0nm范围光透过率大于99％；光栅2为平面反射式闪耀光栅，刻线密度为600gr mm-1，闪耀波长410nm，闪耀角度21.10°，工作角度21.72°，衍射级次为三级。透镜2和光栅2同样准Littrow结构布局，将393.0-424.0nm范围内入射信号光以1.0mm nm-1的线色散率进一步色散后汇聚在透镜2焦面上。探测器包含32个线阵排列的探测通道，单通道光敏面物理尺寸为0.8mm×7.0mm，相邻探测通道之间有0.2mm的死区间隔，通道间距1.0mm。探测器光敏面准确定位在透镜2焦面上，每个探测通道光敏面长7.0mm边都平行于铅直方向，最终以0.8nm的谱精度分辨与记录色散后的通带信号光。
第一级和第二级光栅色散系统的焦面在同一铅直面内，光轴在同一水平面内相互平行且间距53.69mm。整个双光栅光谱仪系统通带光谱区为393.0-424.0nm范围，在354.8nm紫外激光辐射时覆盖了三相态水的振转Raman谱区；通带内线色散率为1.0mm nm-1，并对带外354.8nm附近光产生优于6个数量级的抑制。
如上所述的一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统，采用一根芯径0.6mm、数值孔径0.12的光纤将传导的信号光馈入光学色散单元，光纤出端口中心精准位于透镜1焦点上。
如上所述的一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统，采用准Littrow结构布局的两组级联的光栅色散系统实现对393.0-424.0nm范围光的高效传输并以1.0mm nm-1的线色散率在焦面上色散开来，同时对带外354.8nm附近光产生优于6个数量级的抑制。第一级光栅色散系统由透镜1和光栅1组成：透镜1直径100mm，焦距300mm，双面镀增透膜，对393.0-424.0nm范围光透过率大于99％；光栅1为平面反射式闪耀光栅，刻线密度为600gr mm-1，闪耀波长410nm，闪耀角度6.89°，工作角度9.27°，衍射级次为一级。第二级光栅色散系统由透镜2和光栅2组成：透镜2直径100mm，焦距400mm，双面镀增透膜，对393.0-424.0nm范围光透过率大于99％；光栅2为平面反射式闪耀光栅，刻线密度600gr mm-1，闪耀波长410nm，闪耀角度21.10°，工作角度21.72°，衍射级次为三级。两级光栅色散系统的焦面在同一铅直面内，光轴在同一水平面内相互平行且间距53.69mm。
如上所述的一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统，系统能以0.8nm的谱精度分辨与记录在393.0-424.0nm范围谱信号，在354.8nm紫外激光辐射时可实现对三相态水的振转Raman谱的测量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
提供灵活方便的光学接入与信号传输方式；产生对应393.0-424.0nm范围的通带光谱区，对通带内信号高效传输并以1.0mm nm-1的线色散率在空间上色散开来，对带外354.8nm附近光大幅抑制；能以0.8nm的谱精度分辨与记录通带范围内谱信号。
为保证灵活方便的系统接入与信号传输方式，采用单光纤接收、传导信号光，并在光纤出端口将传导的信号光以准“点光源”的方式馈入色散系统。为实现通带光谱区393.0-424.0nm范围内信号的高效传输：光纤出端口中心精确定位在透镜1焦点上，光纤芯径0.6mm，数值孔径为0.12，确保自光纤导出的光能100％照射透镜1；透镜1和透镜2双面镀增透膜，保证393.0-424.0nm范围内光能高效透过，单次透过率优于99％；光栅1和光栅2选用镀Al膜的平面反射式闪耀刻划光栅，闪耀波长410nm，工作角度接近闪耀角，保证393.0-424.0nm范围内光都具有高衍射效率。为让通带光谱区内信号按既定方式色散：透镜1焦距设为300mm，光栅1刻线密度为600gr mm-1，工作角度9.27°，衍射级次为一级，二者准Littrow结构布局，实现通带内信号的初步色散；透镜2焦距取为400mm，光栅2刻线密度为600gr mm-1，工作角度21.72°，衍射级次为三级，二者准Littrow结构布局，对通带内信号进一步色散；设置两级色散系统共焦面且光轴水平间距53.69mm，最终系统整体的线色散率为1.0mm nm-1。为实现对带外354.8nm附近光的大幅抑制：第一级光栅色散系统衍射回的在354.8nm附近光对应的一级衍射光点被物理隔离而不能通过焦面上预留小孔；两块光栅级联实现对354.8nm附近光优于6个数量级的抑制。
信号检测单元中的探测器包含32个线阵排列的探测通道，单通道光敏面物理尺寸为0.8mm×7.0mm，相邻探测通道之间有0.2mm的死区间隔，通道间距1.0mm。探测器光敏面准确定位在透镜2焦面上，每个探测通道光敏面长7.0mm边都平行于铅直方向。在色散系统1.0mm nm-1线色散率的条件下，探测器与色散系统配合，实现以0.8nm的谱精度分辨与记录色散后的通带信号光。
附图说明
图1为本发明实施例的双光栅光谱仪系统光路原理框图。
具体实施方式
本发明的关键在于采用一根芯径0.6mm、数值孔径0.12的光纤传导信号光；采用两组级联的准Littrow结构布局的光栅色散系统实现对393.0-424.0nm通带范围光的高效传输并以1.0mm nm-1的线色散率在焦面上色散开来，同时对带外354.8nm附近光产生优于6个数量级的抑制；采用一个阵列式多通道的探测器实现以0.8nm的谱精度分辨与记录通带范围内谱信号。
本发明由三部分组成，即信号馈入单元、光学色散单元和信号检测单元。如附图1。
信号馈入单元由光纤组成，采用美国Fiberguide公司芯径0.6mm、数值孔径0.12的单根多模光纤将传导的信号光馈入光学色散单元。光学色散单元由透镜1与光栅1、透镜2与光栅2组成。透镜1与透镜2采用定制的双面镀增透膜的透镜，直径100mm，焦距分别为300mm与400mm，对393.0-424.0nm范围光透过率大于99％。光栅1和光栅2选用美国Newport公司镀Al膜平面反射式闪耀光栅，闪耀波长410nm，实际工作角度接近闪耀角度，保证在393.0-424.0nm范围光具有高衍射效率。光栅1刻线密度600gr mm-1，闪耀角度6.89°，工作角度9.27°，衍射级次为一级；光栅2刻线密度600gr mm-1，闪耀角度21.10°，工作角度21.72°，衍射级次为三级。透镜1与光栅1、透镜2与光栅2都准Littrow结果布局组成单光栅色散系统，两个色散系统共焦面且光轴水平间距定为53.69mm，二者级联后实现通带光谱区为393.0-424.0nm范围且对应1.0mm nm-1线色散率。在系统焦面上指定位置处预留长8mm×宽5mm矩形小孔，保证通带光谱区内信号对应的一级衍射光点可通过小孔并随后照射第二级光栅色散系统，同时354.8nm附近光对应的一级衍射光点不能通过矩形小孔而被物理隔绝，最终双光栅光谱仪系统实现对354.8nm附近光优于6个数量级的抑制。探测器选用德国Licel公司生产的多通道数据采集系统，其光电转换器件为日本Hamamatsu公司H7260系列线阵光电倍增管，具体包括32个探测通道，单通道光敏面为7mm×0.8mm矩形，通道间距1mm，通道死区间隔0.2mm；将探测器光敏面精准定位在光谱仪系统焦面上，与色散系统配合最终实现以0.8nm的谱精度分辨与记录通带范围内谱信号。表1为本发明实施例的各光学元件的光学参数表，如下：
表1
Claims (6)
1.一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统，包括信号馈入单元、光学色散单元和信号检测单元；其特征在于：信号馈入单元包括一根芯径0.6mm、数值孔径0.12的多模光纤；光学色散单元包括由透镜1与光栅1、透镜2与光栅2构成的两组级联的准Littrow结构布局的光栅色散系统，透镜1和光栅1组成第一级光栅色散系统，透镜2和光栅2组成第二级光栅色散系统；信号检测单元包含一个阵列式多通道的探测器；
信号馈入单元采用一根芯径0.6mm、数值孔径0.12的多模光纤将传导的信号光馈入光学色散单元，光纤出端口中心精准位于透镜1焦点上；
光学色散单元采用准Littrow结构布局的两组级联的光栅色散系统实现对393.0-424.0nm范围光的高效传输并以1.0mm nm-1的线色散率在焦面上色散开来，同时对带外354.8nm附近光产生优于6个数量级的抑制；
信号检测单元以0.8nm的谱精度分辨与记录色散后的通带信号光。
2.如权利要求1所述的一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统，其特征在于：所述多模光纤出端口中心精准位于透镜1的焦点上，经光纤传导的信号光通过光纤出端口后，首先照射由透镜1和光栅1组成的第一级光栅色散系统；透镜1和光栅1准Littrow结构布局，将入射信号光初步色散后汇聚在透镜1焦面上；其中，波长在393.0-424.0nm范围光对应的一级衍射光点能通过透镜1焦面上长8mm×宽5mm的预留矩形小孔；波长354.8nm附近光对应的一级衍射光点汇聚在透镜1焦面上不同位置且不能通过矩形小孔；经过矩形小孔的信号光接着照射由透镜2和光栅2组成的第二级光栅色散系统；透镜2和光栅2准Littrow结构布局，将393.0-424.0nm范围入射信号光以1.0mm nm-1的线色散率进一步色散后汇聚在透镜2焦面上。
3.如权利要求2所述的一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统，其特征在于：
所述阵列式多通道的探测器包含32个线阵排列的探测通道，单通道光敏面物理尺寸为0.8mm×7.0mm，相邻探测通道之间有0.2mm死区间隔，通道间距1.0mm；
探测器光敏面准确定位在透镜2焦面上，每个探测通道光敏面长7.0mm边都平行于铅直方向，最终以0.8nm的谱精度分辨与记录色散后的通带信号光。
4.如权利要求3所述的一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统，其特征在于：
所述第一级和第二级光栅色散系统的焦面在同一铅直面内，光轴在同一水平面内相互平行且间距53.69mm。
5.如权利要求4所述的一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统，其特征在于：
所述透镜1直径100mm，焦距300mm，双面镀增透膜，对393.0-424.0nm范围光透过率大于99％；光栅1为平面反射式闪耀光栅，刻线密度600gr mm-1，闪耀波长410nm，闪耀角度6.89°，工作角度9.27°，衍射级次为一级；
所述透镜2直径100mm，焦距400mm，双面镀增透膜，对393.0-424.0nm范围光透过率大于99％；光栅2为平面反射式闪耀光栅，刻线密度为600gr mm-1，闪耀波长410nm，闪耀角度21.10°，工作角度21.72°，衍射级次为三级。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的一种同时检测三相态水Raman谱信号的双光栅光谱仪系统，其特征在于：以0.8nm的谱精度分辨与记录在393.0-424.0nm范围谱信号，在354.8nm紫外激光辐射时实现对三相态水的振转Raman谱的测量；通带内线色散率为1.0mmnm-1，并对带外354.8nm附近光产生优于6个数量级的抑制。
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