CN109489819B - 三次衍射式光栅光谱仪 - Google Patents

三次衍射式光栅光谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三次衍射式光栅光谱仪，涉及光谱分光技术领域。具体地，包括接收传输部、一级分光鉴频部、二级分光鉴频部和采集部；所述一级分光鉴频部包括第一准直透镜、第一光栅和反射镜；所述二级分光鉴频部包括第二准直透镜和第二光栅；所述第一准直透镜位于所述第一光栅与所述接收传输部之间；所述第二准直透镜位于所述第二光栅与所述接收传输部之间；所述反射镜设置于所述第一准直透镜一侧，用于反射所述第一光栅衍射出的光线；所述采集部位于所述第一准直透镜、所述第二准直透镜之间，且位于二级分光系统的焦平面上，用于接收所述第二准直透镜聚焦的光线。相对于现有技术可以对大气回波信号进行高精度的光谱分离。

Description

三次衍射式光栅光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱分光技术领域，具体而言，涉及一种三次衍射式光栅光谱仪。
背景技术
大气温度是重要的气象及大气物理参量，它所描述的大气热平衡结构，在大气物理与化学、天气预报分析以及环境监测等研究中具有非常重要的作用。激光雷达具有高时空分辨率，适于实时观测的优点，是探测大气温度的有效手段。根据探测原理的不同，大气温度的激光雷达主要包含瑞利高光谱分辨率激光雷达和纯转动拉曼激光雷达。
瑞利高光谱分辨率激光雷达需要GHz级高光谱鉴别器，并且对系统的光学稳定性提出了很高的要求。与瑞利高光谱分辨率激光雷达相比，纯转动拉曼激光雷达对光谱鉴别器以及系统光学稳定性的要求低很多，有利于大气温度的精确测量。
其中，纯转动拉曼激光雷达的光谱分离器不仅需要提取所需的纯转动拉曼信号，并且需要实现对米-瑞利散射信号高达60-70dB的抑制率。目前在大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达中，激光激励波长可选择从深紫外到近红外波段，但是目前的光谱鉴别器不能根据具体需要更换或调整对应器件，同时波长不够宽，激光光源的范围不够大，探测的稳定性不高。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种三次衍射式光栅光谱仪，以实现纯转动拉曼谱线的高精度探测以及对米散射和瑞利散射信号的高级次抑制。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种三次衍射式光栅光谱仪，包括接收传输部、一级分光鉴频部、二级分光鉴频部和采集部；
所述一级分光鉴频部包括第一准直透镜、第一光栅和反射镜；
所述二级分光鉴频部包括第二准直透镜和第二光栅；
所述第一准直透镜位于所述第一光栅与所述接收传输部之间；所述第二准直透镜位于所述第二光栅与所述接收传输部之间；
所述反射镜设置于所述第一准直透镜一侧，用于反射所述第一光栅衍射出的光线；
所述采集部位于所述第一准直透镜、所述第二准直透镜之间，且位于二级分光系统的焦平面上，用于接收所述第二准直透镜聚焦的光线。
进一步地，所述接收传输部、所述第一准直透镜、所述第一光栅、所述第二准直透镜、所述第二光栅和所述采集部均同轴设置。
进一步地，所述接收传输部包括第一光阑和第二光阑；
所述第一光阑与所述第二光阑均竖直且相对设置，并通过光纤连接。
进一步地，所述第一光阑和所述第二光阑由多孔光阑构成，其个数和位置由所分离提取的光谱所决定。
进一步地，还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述采集部通信连接；
所述采集部，还用于将接收的光线转换为回波信号，并向所述信号处理模块发送所述回波信号；
所述信号处理模块，用于接收所述采集部传输的所述回波信号，并分离所述回波信号得到各光谱信号。
进一步地，所述接收传输部与所述第一光栅呈第一预设角度、与所述第二光栅呈第二预设角度；所述第一预设角度和所述第二预设角度均不为0度或180度。
进一步地，所述第一光栅和所述第二光栅的光栅参数相同且相互平行放置。
进一步地，所述第一光栅和所述第二光栅的光栅参数与所述接收传输部的尺寸相匹配。
进一步地，所述光栅参数包括下述一项或多项：
衍射级次、刻线数、闪耀波长、闪耀角和与水平方向的夹角。
进一步地，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜的透镜参数相同且相互平行放置。
本发明的有益效果是：本发明实施例提供的三次衍射式光栅光谱仪的结构可以根据实际需求调整器件对应的位置或是更换器件，使其具有较宽的波长范围，激光光源的范围大等特点；又由于所选用的器件受温度、湿度和压强等因素的影响较小，因此抗外界干扰能力强，探测稳定性高，且具有较高的光谱分辨率，并且可以实现对米瑞利散射信号实现60-70dB的抑制率，从而提取高纯度的纯转动拉曼信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请一实施例提供的三次衍射式光栅光谱仪的结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的接收传输部的结构示意图1；
图3为本申请一实施例提供的接收传输部的结构示意图2；
图4为本申请一实施例提供的接收传输部的结构示意图3；
图5为本申请一实施例中分离光谱的示意图。
图标：100-三次衍射式光栅光谱仪；110-接收传输部；120-一级分光鉴频部；121-第一准直透镜；122-第一光栅；123-反射镜；130-二级分光鉴频部；131-第二准直透镜；132-第二光栅；140-采集部；150-第一光阑；151-五孔光阑的第一通孔；152-五孔光阑的第二通孔；153-五孔光阑的第三通孔；154-五孔光阑的第四通孔；155-五孔光阑的第五通孔；160-第二光阑；161-四孔光阑的第一通孔；162-四孔光阑的第二通孔；163-四孔光阑的第三通孔；164-四孔光阑的第四通孔；171-第一光纤；172-第二光纤；173-第三光纤；174-第四光纤；175-第五光纤。
具体实施方式
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。
本申请提供了一种用于大气探测的高光谱分光装置，对大气回波信号进行高精度的光谱分离的方法。
图1为本申请一实施例提供的一种三次衍射式光栅光谱仪100，如图1所示，该装置包括：接收传输部110、一级分光鉴频部120、二级分光鉴频部130和采集部140。
其中，一级分光鉴频部120包括：第一准直透镜121、第一光栅122和反射镜123。
二级分光鉴频部130包括：第二准直透镜131和第二光栅132。
在本发明的实施例中，光线在一级分光鉴频部120经两次衍射、二级分光鉴频部130经一次衍射。
其中，第一准直透镜121位于第一光栅122与接收传输部110之间；第二准直透镜131位于第二光栅132与接收传输部110之间。
其中，反射镜123设置于第一准直透镜121一侧，用于反射第一光栅122衍射出的光线；采集部140位于第一准直透镜121和第二准直透镜131之间，且位于二级分光系统的焦平面上，用于接收第二准直透镜131聚焦的光线。
本实施例提供一种三次衍射式光栅光谱仪100，这种结构可以根据实际用户的需求更换各部件或者调整各部件相对应的位置，使其可以适用于各个波段，因此，其具有较宽的波长范围，激光光源的范围大，又因为选用的光学器件受温度、适度、压力等因素的影响较小，因此其抗外界干扰能力强，探测的稳定性高，且具有较高的光谱分辨率。
可选地，接收传输部110、第一准直透镜121、第一光栅122、第二准直透镜131、第二光栅132和采集部140均同轴设置。
可选地，在本申请的实施例中，反射镜123为镀有紫外加强型铝膜的平面反射镜，其反射率大于90％。
进一步地，接收传输部110包括第一光阑150和第二光阑160。
其中，第一光阑150与第二光阑160均竖直且相对设置，并通过光纤连接。
进一步地，第一光阑150和第二光阑160由多孔光阑构成，其个数和位置可以由所分离提取的光谱所决定。
图2-图4为本申请一实施例提供的接收传输部110的结构示意图，如图2-图4所示：
可选地，在本发明的一个实施例中，第一光阑150可以为五孔光阑，第二光阑160可以为四孔光阑，其中，五孔光阑的第一通孔151与四孔光阑的第一通孔161通过第一光纤171连接；五孔光阑的第二通孔152与四孔光阑的第二通孔162通过第二光纤172连接；五孔光阑的第三通孔153与第三光纤173的一端连接；五孔光阑的第四通孔154与四孔光阑的第三通孔163通过第四光纤174连接；五孔光阑的第五通孔155与四孔光阑的第四通孔164通过第五光纤175连接。
其中，以第一准直透镜121为参考，五孔光阑的原点(0,0)位于第一准直透镜121的焦点，五孔光阑的第一通孔151的坐标为(0,1945μm)，五孔光阑的第二通孔152的坐标为(0,726μm)，五孔光阑的第三通孔153的坐标为(0,0)，五孔光阑的第四通孔154的坐标为(0,-726μm)，五孔光阑的第五通孔155的坐标为(0,-1945μm)。在本申请的实施例中，以第二准直透镜131为参考，四孔光阑160的原点(0,0)位于第二准直透镜131的焦点，四孔光阑的第一通孔161的坐标为(0,1945μm)，四孔光阑的第二通孔162的坐标为(0,726μm)，四孔光阑的第三通孔163的坐标为(0,-726μm)，四孔光阑的第四通孔164的坐标为(0,-1945μm)。
需要说明的是，图4为本申请一实施例中分离光谱的示意图，如图4所示：本实施例中的第一光阑150和第二光阑160以四孔光阑和五孔光阑为例，确定了它们所在的位置及大小，是由于本实施例主要是以分离266nm激光激励的转动拉曼光谱谱线为主。但不以此为限，每次设置需要根据考虑分离提取的光谱来进行调整，并不以此为限，具体光阑的选择以及光阑位置和大小的设置根据用户需要设置，分离提取的光谱不同时，对应光阑的选择不同，并且光阑的个数和位置均不相同。
进一步地，三次衍射式光栅光谱仪100还包括信号处理模块，信号处理模块与采集部140通信连接。
其中，采集部140，还用于将接收到的光线转换为回波信号，并向信号处理模块发送转换好的回波信号；信号处理模块，用于接收采集部140传输的回波信号，并分离回波信号得到各光谱信号。
可选地，接收传输部110与第一光栅122呈第一预设角度、与第二光栅132呈第二预设角度；第一预设角度和第二预设角度均不为0度或180度，即接收传输部110的位置具体可以根据用户需要调整。
进一步地，第一光栅122和第二光栅132的光栅参数相同且相互平行放置。
其中，光栅参数包括下述的一项或多项：
衍射级次、刻线数、闪耀波长、闪耀角和与水平方向的夹角。
可选地，在本发明的一个实施例中，第一光栅122和第二光栅132均可以为闪耀光栅，其中光栅参数可以包括：衍射级次为1阶闪耀，刻线数为3600grooves/mm，闪耀波长为230nm，闪耀角为24.456°，入射角符合利特罗条件，且第一光栅122的光栅面法线与水平方向的夹角为24.456°，第二光栅132的光栅面法线与水平方向的夹角为155.544°。
进一步地，第一光栅122和第二光栅132的光栅参数与接收传输部110的尺寸相匹配。
需要说明的是，闪耀光栅的光栅刻线数与接收传输部110的尺寸相关，在本发明的一个实施例中，闪耀光栅的光栅刻线数为3600grooves/mm，但具体实施中，并不以此为限，当选择的闪耀光栅光栅常数不同时，需要对应不同的接收传输部110。
进一步地，第一准直透镜121和第二准直透镜131的透镜参数相同且相互平行放置。
可选地，第一准直透镜121和第二准直透镜131均为非球面消像差透镜。
举例说明，具体在本发明的一个实施例中，本申请的三次衍射式光栅光谱仪100按照以下步骤执行：
步骤1：调整激光接收传输部110中的五孔光阑，四孔光阑以及连接各个通孔的光纤的前后位置及高度，使得五孔光阑位于第一准直透镜121的焦平面上，同时使得五孔光阑坐标为(0,0)的通孔位于第一准直透镜121的焦点上；同时使得四孔光阑位于第二准直透镜131的焦平面上，使得四孔光阑坐标为(0,0)的点(四孔光阑(0,0)点没有通孔，其坐标原点只用于定位)位于第二准直透镜131的焦点上。
步骤2：第三光纤173接收激光雷达的大气后向散射信号，进入五孔光阑的第三通孔153。
步骤3：通过激光接收传输部110中的五孔光阑的第三通孔153的光经过准直透镜准直后成为准直光，入射到闪耀光栅。
步骤4：入射到闪耀光栅上的光发生衍射，其衍射光入射到一级分光鉴频部120的反射镜123上，使其反射光再次入射到闪耀光栅。
步骤5：改变步骤3产生的准直光与闪耀光栅的相互角度，改变步骤4产生的反射光与反射镜123的角度，直到在一级分光鉴频部120中波长为激励波长的光束进入五孔光阑的第三通孔153，以及所要提取的斯托克斯(Stokes)高量子数通道纯转动拉曼回波信号进入五孔光阑的第一通孔151，Stokes低量子数通道纯转动拉曼回波信号进入五孔光阑的第二通孔152，反斯托克斯(Anti-Stokes)低量子数通道纯转动拉曼回波信号进入五孔光阑的第四通孔154，Anti-Stokes高量子数通道纯转动拉曼回波信号进入五孔光阑的第五通孔155。
步骤6：进入激光接收传输部110中五孔光阑的第一通孔151，五孔光阑的第二通孔152，五孔光阑的第四通孔154，五孔光阑的第五通孔155的拉曼回波信号分别由第一光纤171，第二光纤172，第三光纤173，第四光纤174，传输至激光接收传输部110中四孔光阑的第一通孔161，四孔光阑的第二通孔162，四孔光阑的第三通孔163，四孔光阑的第四通孔164。
步骤7：激光接收传输部110中的四孔光阑上四个通孔的光束经二级分光鉴频部130的第二准直透镜131准直后成为准直光，入射到二级分光鉴频部130的闪耀光栅。
步骤8：经过二级分光鉴频部130闪耀光栅产生的衍射的光束再次经过二级分光鉴频部130的第二准直透镜131后聚焦到采集部140。
步骤9：采集部140将回波信号接收到的回波信号传输至信号处理模块得到经过分离的各光谱信号。
本实施例中，采用三次衍射式光栅光谱仪100作为鉴频器，这种结构可以根据需要分离提取的光谱来调整各部件对应的位置，或者更换部件使其适用于各个波段，因此其具有较宽的波长范围，激光光源的范围大的特点，又由于选用的光学器件收到温度、湿度和压强等因素的影响较小，因此其抗外界干扰能力强，探测稳定性高，并且具有较高的光谱分辨率。

Claims (9)

1.一种三次衍射式光栅光谱仪，其特征在于，包括接收传输部、一级分光鉴频部、二级分光鉴频部和采集部；
所述一级分光鉴频部包括第一准直透镜、第一光栅和反射镜；
所述二级分光鉴频部包括第二准直透镜和第二光栅；
所述第一准直透镜位于所述第一光栅与所述接收传输部之间；所述第二准直透镜位于所述第二光栅与所述接收传输部之间；
所述反射镜设置于所述第一准直透镜一侧，用于反射所述第一光栅衍射出的光线；
所述采集部位于所述第一准直透镜、所述第二准直透镜之间，且位于二级分光系统的焦平面上，用于接收所述第二准直透镜聚焦的光线；
其中，所述接收传输部包括第一光阑和第二光阑；
所述第一光阑与所述第二光阑均竖直且相对设置，并通过光纤连接。
2.如权利要求1所述的三次衍射式光栅光谱仪，其特征在于，所述接收传输部、所述第一准直透镜、所述第一光栅、所述第二准直透镜、所述第二光栅和所述采集部均同轴设置。
3.如权利要求1所述的三次衍射式光栅光谱仪，其特征在于，所述第一光阑和所述第二光阑由多孔光阑构成，其个数和位置由所分离提取的光谱所决定。
4.如权利要求1所述的三次衍射式光栅光谱仪，其特征在于，还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述采集部通信连接；
所述采集部，还用于将接收的光线转换为回波信号，并向所述信号处理模块发送所述回波信号；
所述信号处理模块，用于接收所述采集部传输的所述回波信号，并分离所述回波信号得到各光谱信号。
5.如权利要求1或3所述的三次衍射式光栅光谱仪，其特征在于，所述接收传输部与所述第一光栅呈第一预设角度、与所述第二光栅呈第二预设角度；所述第一预设角度和所述第二预设角度均不为0度或180度。
6.如权利要求2所述的三次衍射式光栅光谱仪，其特征在于，所述第一光栅和所述第二光栅的光栅参数相同且相互平行放置。
7.如权利要求1所述的三次衍射式光栅光谱仪，其特征在于，所述第一光栅和所述第二光栅的光栅参数与所述接收传输部的尺寸相匹配。
8.如权利要求6或7所述的三次衍射式光栅光谱仪，其特征在于，所述光栅参数包括下述一项或多项：
衍射级次、刻线数、闪耀波长、闪耀角和与水平方向的夹角。
9.如权利要求1所述的三次衍射式光栅光谱仪，其特征在于，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜的透镜参数相同且相互平行放置。
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