CN108007582B - 一种基于瑞利布里渊散射激光波长检测的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于瑞利布里渊散射激光波长检测的方法及装置。该方法通过对待测波长的激光与高压气体相互作用产生的瑞利布里渊散射信号的测量，获得一定散射方向的瑞利布里渊散射光谱，根据布里渊峰的频移量来获得待测激光的波长。该方法可以利用一套装置实现从紫外到红外全波段的激光波长的检测，而且该装置可以根据待检波长在紫外、可见及红外波段来控制散射池中气体的温度及压力来优化测量光谱布里渊频移及信号强度，不仅可以提高信号强度和光谱分辨率，而且可以保证检测结果具有较高的准确性。本发明主要对利用自发瑞利布里渊散射实现激光波长检测的装置进行详细说明。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于瑞利布里渊散射激光波长检测的方法及装置，属于激光光谱技术领域。
背景技术
由于激光具有单色性好、方向性好、相干性好、能量集中的优点，因此自1960年激光器被发明以后，激光技术得到了快速发展并在工业、医疗、商业、科研、信息和军事等领域得到了广泛的应用。不同波长的激光适用的场合有所不同，比如在医学应用当中，波长为694.3nm的单色红光主要用于治疗眼科疾病，波长为337.1nm的单色长波紫外光主要用于治疗炎症，波长为1064nm的近红外光主要用于癌瘤的手术切除等等。因此在激光应用之前准确知道激光波长是非常必要的。但是传统的波长计仅能实现对某一波段范围波长的测量，测量不同波段的激光波长需要不同的波长计，无法利用一套装置实现从紫外到红外全波段的波长测量。而利用瑞利布里渊散射的布里渊频移来确定不同波段激光的波长可以弥补传统测量方法的不足。
发明内容
为了实现利用一套装置对全波段范围波长的准确测量，本发明提出了一种通过探测待测波长的激光与高压气体相互作用产生的自发瑞利布里渊散射信号实现检测激光波长的方法。
本发明采用如下的技术方案：一种基于瑞利布里渊散射激光波长检测的方法，其特征在于：根据瑞利布里渊散射理论，布里渊频移与入射激光波长、信号散射角、气体温度、气体介质的折射率存在确定的函数关系，当信号散射角、气体温度、气体介质的折射率都已知时，布里渊频移与激光波长具有一一对应的指纹特征，而且高温高压的气体与入射激光相互作用可以产生比较明显的布里渊频移和比较强的布里渊散射信号，因此可根据测量的布里渊频移得到激光波长，即实现对激光波长的检测。
进一步的，所述布里渊频移对入射激光波长的变化比较敏感，决定了该方法具有较高的检测灵敏度。
进一步的，所述该检测方法对于自发和相干瑞利布里渊散射实现波长检测同样适用。
一种基于瑞利布里渊散射激光波长检测的装置，其特征在于：装置包括待测波长的激光光源(1)、数字压力计(2)、反射镜(3)、用来校准光路的可见光激光器(4)、凸透镜(5、9、10、12、13、15，23)、散射池(6)、消光器(7)、光阑(8)、针孔滤波器(11)、F-P扫描干涉仪阵列(14)、光纤耦合器(16)、探测器(17)、数据采集卡(18)、温控系统(19)、F-P扫描控制仪(20)、示波器(21)、计算机(22)；在对待测激光光源(1)进行测量之前，先用可见光激光器(4)发出的可见光经反射镜(3)反射被第一凸透镜(5)聚焦于散射池中心后对测量光路进行调节和仪器校准，完成后关闭可见光激光器(4)；由待测激光光源(1)发出的激光经第七凸透镜(23)聚焦于散射池(6)后与池中的气体(具有较大的散射截面)相互作用产生瑞利布里渊散射信号，然后通过散射池(6)被消光器(7)吸收；产生的135°散射方向的光谱信号经光阑(8)空间滤波，第二凸透镜(9)准直(第二凸透镜(9)与散射池(6)的距离等于第二凸透镜(9)的焦距)后，被空间滤波准直系统(由第三凸透镜(10)，第四凸透镜(12)和针孔滤波器(11)组成)滤波准直，散射信号被第五凸透镜(13)聚焦到F-P扫描干涉仪阵列(14)进行鉴频，鉴频后的信号经第六凸透镜(15)，光纤耦合器(16)后被探测器(17)探测，由数据采集卡(18)对数据采集并将采集数据传输到计算机(22)处理；散射池(6)和F-P扫描干涉仪阵列(14)装有温控系统(19)，且散射池(6)内的气压可通过数字压力计(2)实时显示；F-P扫描控制仪(20)的控制信号和数据采集卡(18)的采集信息可以通过示波器(21)实时显示；F-P扫描干涉仪阵列(14)的工作单元可由计算机(22)控制选取。
进一步的，可以根据待检波长在紫外、可见及红外波段来控制散射池中气体的温度及压力(可由高精度的监测装置实时显示)实现优化测量光谱布里渊频移及信号强度，其不仅可以提高信号强度，光谱分辨率，降低对待测激光波长功率的要求，而且可以保证检测结果具有较高的准确性。
进一步的，装置可以探测0°-180°(可通过散射池改变)散射方向的信号，而且气体温度可以控制，这样可以获得比较明显的布里渊频移，有利于拓宽可测波段范围，提高测量的准确性，降低对F-P自由光谱范围的要求；同时，使用F-P扫描干涉仪阵列，阵列单元的F-P扫描干涉仪的自由光谱范围选择为500MHz(分辨率大于200)-40GHz(分辨率约为300)能够实现对紫外到红外的全波段鉴频，同时该装置加有温控系统可以减小环境温度波动的影响。
本发明的技术优势如下：一、该方法利用布里渊频移与激光波长之间的关系实现激光波长的测量，具有指纹识别的特点，准确性高；二、该装置可以通过改变散射池内气体的温度和压力获得明显的布里渊频移量和较强的散射信号，降低了对待测波长激光高功率的要求，提高光谱分辨率，同时拓宽了波长的动态测量范围；三、该方法及装置可以实现从紫外到红外全波段范围的波长测量，克服了传统只能实现区域性波段测量的缺点；四、该方法对于利用自发和相干瑞利布里渊散射实现波长检测具有同样的适用性，而且检测灵敏度和准确性都较高。
附图说明
图1给出了一种基于自发瑞利布里渊散射检测激光波长的装置原理图。
图2给出了压强为9atm，散射角为135°，同一温度(300K)下不同波长的N2自发瑞利布里渊散射理论光谱图。
图3给出了实验测量的散射角为91°，压强为9atm，温度为299K，波长为532nm的N2的自发瑞丽布里渊散射的光谱图，并根据相应的布里渊频移计算对应波长的过程。
具体实施方式
如附图1所示，该装置包括待测波长的激光光源(1)、数字压力计(2)、反射镜(3)、用来校准光路的可见光激光器(4)、凸透镜(5、9、10、12、13、15，23)、散射池(6)、消光器(7)、光阑(8)、针孔滤波器(11)、F-P扫描干涉仪阵列(14)、光纤耦合器(16)、探测器(17)、数据采集卡(18)、温控系统(19)、F-P扫描控制仪(20)、示波器(21)、计算机(22)；在对待测激光光源(1)进行测量之前，先用可见光激光器(4)发出的可见光经反射镜(3)反射被第一凸透镜(5)聚焦于散射池中心后对测量光路进行调节和仪器校准，完成后关闭可见光激光器(4)；由待测激光光源(1)发出的激光经第七凸透镜(23)聚焦于散射池(6)后与池中的气体(具有大的散射截面)相互作用产生瑞利布里渊散射信号，然后通过消光器(7)被吸收；产生的135°散射方向的光谱信号经光阑(8)空间滤波，第二凸透镜(9)准直(第二凸透镜(9)与散射池(6)的距离等于第二凸透镜(9)的焦距)后，被空间滤波准直系统(由第三凸透镜(10)，第四凸透镜(12)和针孔滤波器(11)组成)滤波准直后的散射信号被第五凸透镜(13)聚焦到F-P扫描干涉仪阵列(14)进行鉴频，鉴频后的信号经第六凸透镜(15)，光纤耦合器(16)后被探测器(17)探测，由数据采集卡(18)对数据采集并将采集光谱传输到计算机(22)处理。散射池(6)和F-P扫描干涉仪阵列(14)装有温控系统(19)，且散射池(6)内的气压可通过数字压力计(2)实时显示；F-P扫描控制仪(20)的控制信号和数据采集卡(18)的采集信息可以通过示波器(21)实时显示；F-P扫描干涉仪阵列(14)的工作单元可由计算机(22)控制选取。
附图2为压强9atm，散射角135°，同一温度(300K)下波长分别为100nm、300nm、600nm、1μm和10μm对应N2自发瑞利布里渊散射光谱图。从图中可以看出，高压条件下的散射谱中布里渊信号明显较强，而且相同条件下不同波长所对应的布里渊频移是不同的，即波长与布里渊频移具有一一对应的指纹关系，这为利用布里渊频移实现激光波长的检测提供了理论基础。
附图3给出了实验测量的散射角为91°，压强为9atm，温度为299K，激光波长为532nm的N2的自发瑞利布里渊散射的光谱图，根据布里渊频移公式可得激光波长为
式中Δvb为布里渊频移，n为气体介质的折射率(已知)，为声速，γ为理想气体比热容,R是气体常数，T为气体温度，m为气体分子质量，θ为散射角。由附图3可知，布里渊频移量为0.946GHz，将各已知量带入(1)式中可得激光波长531.62nm，与实际值532nm的误差为0.38nm，说明实验测量结果具有较高的准确性，证明了该方法检测激光波长的可行性。
Claims (5)
1.一种基于瑞利布里渊散射激光波长检测的方法，其特征在于：测量待测波长激光与气体相互作用产生的瑞利布里渊散射频谱，进而获得布里渊频移，根据瑞利布里渊散射理论可知布里渊频移与入射激光波长存在确定的函数关系，利用测量的布里渊频移计算得到入射激光的波长信息，实现对激光波长的检测，根据入射激光波段的不同，改变气体的温度、接收信号散射角获得不同的布里渊频移量，增大气体压强获得明显的布里渊峰来获得准确的布里渊频移，最终实现不同波段入射激光波长的检测。
2.如权利要求1所述的一种基于瑞利布里渊散射激光波长检测的方法，其特征在于：该检测方法对于自发和相干瑞利布里渊散射实现波长检测同样适用。
3.一种基于瑞利布里渊散射激光波长检测的装置，其特征在于：装置包括待测波长的激光光源(1)、数字压力计(2)、反射镜(3)、用来校准光路的可见光激光器(4)、凸透镜(5、9、10、12、13、15，23)、散射池(6)、消光器(7)、光阑(8)、针孔滤波器(11)、F-P扫描干涉仪阵列(14)、光纤耦合器(16)、探测器(17)、数据采集卡(18)、温控系统(19)、F-P扫描控制仪(20)、示波器(21)、计算机(22)；在对待测激光光源(1)进行测量之前，先用可见光激光器(4)发出的可见光经反射镜(3)反射被第一凸透镜(5)聚焦于散射池中心后对测量光路进行调节和仪器校准，完成后关闭可见光激光器(4)；由待测激光光源(1)发出的激光经第七凸透镜(23)聚焦于散射池(6)后与池中的气体相互作用产生瑞利布里渊散射信号，然后通过散射池(6)被消光器(7)吸收；产生的135°散射方向的光谱信号经光阑(8)空间滤波，第二凸透镜(9)准直后，被空间滤波准直系统滤波准直，空间滤波准直系统由第三凸透镜(10)，第四凸透镜(12)和针孔滤波器(11)组成，散射信号被第五凸透镜(13)聚焦到F-P扫描干涉仪阵列(14)进行鉴频，鉴频后的信号经第六凸透镜(15)，光纤耦合器(16)后被探测器(17)探测，由数据采集卡(18)对数据采集并将采集数据传输到计算机(22)处理；散射池(6)和F-P扫描干涉仪阵列(14)装有温控系统(19)，且散射池(6)内的气压可通过数字压力计(2)实时显示；F-P扫描控制仪(20)的控制信号和数据采集卡(18)的采集信息可以通过示波器(21)实时显示；F-P扫描干涉仪阵列(14)的工作单元可由计算机(22)控制选取。
4.如权利要求3所述的一种基于瑞利布里渊散射激光波长检测的装置，其特征在于：可以根据待检波长在紫外、可见及红外波段来控制散射池中气体的温度及压力实现优化测量光谱的布里渊频移及信号强度，其不仅可以提高信号强度，光谱分辨率，降低对待测激光波长功率的要求，而且可以保证检测结果具有较高的准确性。
5.如权利要求3所述的一种基于瑞利布里渊散射激光波长检测的装置，其特征在于：装置可探测0°-180°散射方向的信号；同时，使用F-P扫描干涉仪阵列，阵列单元的F-P扫描干涉仪的自由光谱范围选择为500MHz-40GHz能够实现对紫外到红外的全波段鉴频。
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