CN106404669B - 一种远程激光光谱探测装置及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种远程激光光谱探测装置及探测方法，此装置包括：激光器(1)、光纤耦合系统(2)、Y型光纤束(3)、收集光学系统(4)、光束孔径角匹配器(5)、光谱仪(6)；激光器(1)输出的激光光束经过光纤耦合系统(2)输入至Y型光纤束(3)的第一分叉端，Y型光纤束(3)的公共端位于收集光学系统(4)的收集望远镜的焦平面处，Y型光纤束(3)的第二分叉端输出的光束通过光束孔径角匹配器(5)输入至光谱仪(6)的狭缝。本装置采集效率高并且对于光纤的公共端的位置不敏感，即使由于机械震动等原因导致公共端的位置有一定的偏移，都能保证激光所照射的目标与探测点重合，从而极大的提高了系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及远程光谱探测技术领域，尤其涉及一种远程激光光谱探测装置及探测方法。
背景技术
远程激光光谱探测技术包括激光雷达、远程激光激发等离子体光谱、远程激光激发荧光和远程激光激发拉曼光谱等技术，分别探测激光与物质相互作用所产生的瑞丽散射、等离子体光谱、荧光光谱和拉曼光谱。其中激光雷达用于测量激光到目标的激光飞行时间以判断目标的距离，而光谱技术则用于分析目标的成分。
应用较为成熟的远程激光光谱探测系统通常采用激光光路与探测光路傍轴采样模式或通过两个反射镜调节激光光轴的共光轴采样模式。傍轴采样下要使得探测点与激光照射点重合激光光轴与探测光路光轴的夹角将随着样品距离的变化而变化，当样品距离远大于探测光路焦距时，该角度的变化就比较小了，通常采用光轴平行的设置近似，会一定程度上影响探测系统的采集效率；共轴采样模式则没有这个缺点，但是通过两个反射镜调节使两光轴共轴，则系统的稳定性难保证，两片反射镜的微小的振动偏转均会影响两光轴的共轴性。
发明内容
为了解决现有技术中采集效率低和抗振动性差的问题，本发明提供了一种远程激光光谱探测装置及探测方法。
本发明提供了一种远程激光光谱探测装置，包括：激光器、光纤耦合系统、Y型光纤束、收集光学系统、光束孔径角匹配器、光谱仪；
所述激光器输出的激光光束经过所述光纤耦合系统输入至所述Y型光纤束的第一分叉端，所述Y型光纤束的公共端位于所述收集光学系统的收集望远镜的焦平面处，所述Y型光纤束的第二分叉端输出的光束通过所述光束孔径角匹配器输入至所述光谱仪的狭缝。
此远程激光光谱探测装置还具有以下特点：
所述Y型光纤束的公共端的光纤呈多层环形分布，呈多层环形分布的多个光纤的中心光纤为与Y型光纤束的第一分叉端的光纤相对应的激光输出光纤，其它光纤为光束收集光纤；
所述Y型光纤束的第二分叉端的光纤呈线型分布，此线型与所述光谱仪的狭缝相对应。
此远程激光光谱探测装置还具有以下特点：
所述Y型光纤束的第二分叉端输出的光束的孔径角θ1为：
θ1＝2×arcsin(NA)
NA为所述Y型光纤束的第二分叉端的光纤的数值孔径；
所述光谱仪的狭缝处的入射光线的孔径角θ2为
θ2＝2×arccot(2F)
F为光谱仪的F数。
此远程激光光谱探测装置还具有以下特点：
所述光束孔径角匹配器包括透射式或球面反射式或非球面反射式的光学系统；
所述Y型光纤束的第二分叉端与所述光学系统的主平面的距离l1满足以下公式：
所述光学系统的主平面距离所述光谱仪的狭缝的距离l2满足以下公式：
l2＝f×[1+2F·tan[arcsin(NA)]]
其中，f为所述光束孔径角匹配器的光学系统的焦距，NA为所述Y型光纤束的第二分叉端的光纤的数值孔径，F为光谱仪的F数。
本发明还提供了一种使用上述远程激光光谱探测装置的探测方法，包括：
通过激光器输出激光光束，经过所述光纤耦合系统进行光束耦合后，输入至所述Y型光纤束的第一分叉端；
通过所述Y型光纤束的公共端输出激光光束；
通过所述Y型光纤束的公共端采集反射光束，并输入至所述Y型光纤束的公共端的第二分叉端；
通过所述光束孔径角匹配器将所述Y型光纤束的第二分叉端输出的光束输入至所述光谱仪的狭缝。
上述探测方法还具有以下特点：
所述Y型光纤束的第二分叉端输出的光束的孔径角θ1为：
θ1＝2×arcsin(NA)
NA为所述Y型光纤束的第二分叉端的光纤的数值孔径；
所述光谱仪的狭缝处的入射光线的孔径角θ2为
θ2＝2×arccot(2F)
F为光谱仪的F数。
上述探测方法还具有以下特点：
所述光束孔径角匹配器包括透射式或球面反射式或非球面反射式的光学系统；
所述Y型光纤束的第二分叉端与所述光学系统的主平面的距离l1满足以下公式：
所述光学系统的主平面距离所述光谱仪的狭缝的距离l2满足以下公式：
l2＝f×[1+2F·tan[arcsin(NA)]]
其中，f为所述光束孔径角匹配器的光学系统的焦距，NA为所述Y型光纤束的第二分叉端的光纤的数值孔径，F为光谱仪的F数。
本发明提供的装置采集效率高，并且对于光纤的公共端的位置不敏感，即使由于机械震动等原因导致公共端的位置有一定的偏移，都能保证激光所照射的目标与探测点重合，从而极大的提高了系统的稳定性，本装置没有现有技术中采用两片反射镜调节共轴的采样模式导致的机械震动敏感的问题。
附图说明
图1是实施例中远程激光光谱探测装置的结构图；
图2是实施例中Y型光纤束的结构图；
图3是实施例中Y型光纤的第二分叉端到光谱仪狭缝的光束孔径角匹配器的光学系统结构示意图；
图4是实施例中使用远程激光光谱探测装置的探测方法的流程图。
具体实施例
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
图1是实施例中远程激光光谱探测装置的结构图。此装置包括：激光器1、光纤耦合系统2、Y型光纤束3、收集光学系统4、光束孔径角匹配器5、光谱仪6。
激光器1输出的激光光束经过光纤耦合系统2输入至Y型光纤束3的第一分叉端，Y型光纤束3的公共端位于收集光学系统4的收集望远镜的焦平面处，Y型光纤束3的第二分叉端输出的光束通过光束孔径角匹配器5输入至光谱仪6的狭缝。
激光光纤耦合系统为通用型元器件，通常用一片非球面透镜即可将平行激光束耦合进光纤。
图1中表示光束传输的实线为激光光束，虚线为反射光束。
图2是实施例中Y型光纤束的结构图；Y型光纤束3的公共端的光纤呈多层环形分布，呈多层环形分布的多个光纤的中心光纤为与Y型光纤束3的第一分叉端B1的光纤相对应的激光输出光纤，其它光纤为光束收集光纤。Y型光纤束3的第二分叉端B2的光纤呈线型分布，此线型与光谱仪6的狭缝相对应。
图3是实施例中Y型光纤的第二分叉端到光谱仪狭缝的光束孔径角匹配器的光学系统结构示意图。光束孔径角匹配器包括透射式或球面反射式或非球面反射式的光学系统，L为该光学系统的示意图，例如此光学系统可以为球面反射式透镜。
狭缝中的圆为B1的光纤束在S处所成的实像。
Y型光纤束3的第二分叉端输出的光束的孔径角θ1由光纤的数值孔径决定，具体为：
θ1＝2×arcsin(NA)
NA为Y型光纤束3的第二分叉端的光纤的数值孔径；
光谱仪6的狭缝处的入射光线的孔径角θ2由光谱仪的F数决定，具体为：
θ2＝2×arccot(2F)
F为光谱仪的F数。
光束孔径角匹配器5设置于Y型光纤束3的第二分叉端与光谱仪之间，用于使光纤出射光束的发散角与光谱仪的数值孔径相匹配。
Y型光纤束3的第二分叉端与光学系统的主平面的距离l1满足以下公式：
光学系统的主平面距离光谱仪6的狭缝S的距离l2满足以下公式：
l2＝f×[1+2F·tan[arcsin(NA)]]
其中，f为光束孔径角匹配器5的光学系统的焦距，NA为Y型光纤束3的第二分叉端的光纤的数值孔径，F为光谱仪的F数。
图4是实施例中使用远程激光光谱探测装置的探测方法的流程图。此方法包括：
通过激光器1输出激光光束，经过光纤耦合系统2进行光束耦合后，输入至Y型光纤束3的第一分叉端；
通过Y型光纤束3的公共端输出激光光束；通过Y型光纤束3的公共端采集反射光束，并输入至Y型光纤束3的公共端的第二分叉端；
通过光束孔径角匹配器5将Y型光纤束3的第二分叉端输出的光束输入至光谱仪6的狭缝。
本发明中Y型光纤束的公共端在焦平面上的不同位置对应探测光路的不同视场，由于激光输出光纤在光纤束的中心位置，则激发光路的视场与探测光路的视场均能保持一致，即共视场。故该装置对于光纤端A的位置不敏感，即使由于机械震动等原因导致设备A的位置有一定的偏移，都能保证激光所照射的目标与探测点重合，从而极大的提高了系统的稳定性，无现有技术中采用两片反射镜调节共轴的采样模式导致的机械震动敏感的问题。
上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种远程激光光谱探测装置，其特征在于，包括：激光器(1)、光纤耦合系统(2)、Y型光纤束(3)、收集光学系统(4)、光束孔径角匹配器(5)、光谱仪(6)；
所述激光器(1)输出的激光光束经过所述光纤耦合系统(2)输入至所述Y型光纤束(3)的第一分叉端，所述Y型光纤束(3)的公共端位于所述收集光学系统(4)的收集望远镜的焦平面处，所述Y型光纤束(3)的第二分叉端输出的光束通过所述光束孔径角匹配器(5)输入至所述光谱仪(6)的狭缝；
所述光束孔径角匹配器(5)包括透射式或球面反射式或非球面反射式的光学系统；
所述Y型光纤束(3)的第二分叉端与所述光学系统的主平面的距离l1满足以下公式：
所述光学系统的主平面距离所述光谱仪(6)的狭缝的距离l2满足以下公式：
l2＝f×[1+2F·tan[arcsin(NA)]]
其中，f为所述光束孔径角匹配器(5)的光学系统的焦距，NA为所述Y型光纤束(3)的第二分叉端的光纤的数值孔径，F为光谱仪的F数；
所述Y型光纤束(3)的第二分叉端输出的光束的孔径角θ1为：
θ1＝2×arcsin(NA)
NA为所述Y型光纤束(3)的第二分叉端的光纤的数值孔径；
所述光谱仪(6)的狭缝处的入射光线的孔径角θ2为
θ2＝2×arccot(2F)
F为光谱仪的F数。
2.如权利要求1所述的远程激光光谱探测装置，其特征在于，
所述Y型光纤束(3)的公共端的光纤呈多层环形分布，呈多层环形分布的多个光纤的中心光纤为与Y型光纤束(3)的第一分叉端的光纤相对应的激光输出光纤，其它光纤为光束收集光纤；
所述Y型光纤束(3)的第二分叉端的光纤呈线型分布，此线型与所述光谱仪(6)的狭缝相对应。
3.使用权利要求1至2中任一远程激光光谱探测装置的探测方法，其特征在于，包括：
通过激光器(1)输出激光光束，经过所述光纤耦合系统(2)进行光束耦合后，输入至所述Y型光纤束(3)的第一分叉端；
通过所述Y型光纤束(3)的公共端输出激光光束；
通过所述Y型光纤束(3)的公共端采集反射光束，并输入至所述Y型光纤束(3)的公共端的第二分叉端；
通过所述光束孔径角匹配器(5)将所述Y型光纤束(3)的第二分叉端输出的光束输入至所述光谱仪(6)的狭缝；
所述光束孔径角匹配器(5)包括透射式或球面反射式或非球面反射式的光学系统；
所述Y型光纤束(3)的第二分叉端与所述光学系统的主平面的距离l1满足以下公式：
所述光学系统的主平面距离所述光谱仪(6)的狭缝的距离l2满足以下公式：
l2＝f×[1+2F·tan[arcsin(NA)]]
其中，f为所述光束孔径角匹配器(5)的光学系统的焦距，NA为所述Y型光纤束(3)的第二分叉端的光纤的数值孔径，F为光谱仪的F数；
所述Y型光纤束(3)的第二分叉端输出的光束的孔径角θ1为：
θ1＝2×arcsin(NA)
NA为所述Y型光纤束(3)的第二分叉端的光纤的数值孔径；
所述光谱仪(6)的狭缝处的入射光线的孔径角θ2为
θ2＝2×arccot(2F)
F为光谱仪的F数。
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