CN110888118B - 一种探测大气压力的差分吸收激光雷达发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种探测大气压力的差分吸收激光雷达发射机，发射机借助于庞德‑卓沃‑豪技术将连续波半导体种子激光器的波长主动稳定在HCN气体的R21和R22吸收线或乙炔C2H2气体的R9和R8吸收线上；采用扫描‑保持‑泵浦方法，将种子激光注入光参量振荡器环形谐振腔、并锁定其腔长；光参量振荡器输出1529.4±0.6nm或1520nm±1.0nm波段内的双波长信号光，此信号光再经过倍频器转成764.4nm‑765.0nm或759.5nm‑760.5nm波段内的双波长激光脉冲，并且经过参量放大器放大此双波长脉冲能量，发射机最终输出波长稳定、能量较大的探测激光和参考激光；这些单元有机地整合起来，形成差分吸收激光雷达发射机。本发明的优点在于：发射机系统在保证较高的发射脉冲能量的前提下，确保发射机的探测波长和参考波长的稳定性。

Description

一种探测大气压力的差分吸收激光雷达发射机
技术领域
本发明涉及到探测大气压力的遥感器，特别是涉及一种探测大气压力的差分吸收激光雷达的发射机。
背景技术
大气压力是最重要的气象参数之一，目前能够观测地球表面压力的在轨运行的光学和微波遥感器很少，如中分辨率成像光谱仪MERIS，美国OCO-2和日本的GOSAT，POLDER等红外遥感器，其精度还不能达到世界气象组织要求的指标(1～2hPa)。
美国NASA Laboratory for Atmospheres，NASA戈达德空间飞行中心的C.LurenceKorb等专家，1983年提出基于氧气A吸收带凹槽，用差分吸收激光雷达探测大气压力的思想；Schwemmer等人于1987年阐述了差分吸收激光雷达系统原理，并采用闪光灯泵浦翠宝石(Alexandrite)激光器发射位于13160cm-1(760nm)附近的两个波长，以差分吸收激光雷达探测了大气压力。1989年报道C.Laurence Korb等人在美国东海岸进行的地基或机载实验，据称获得过垂直分辨率30m、水平分辨率2km，精度2mbr的实验结果。但由于采用氧气的光声光谱的吸收池，作为发射光波长的参考基准，易受机械振动等干扰，波长的长期稳定性难以保证，所以持续稳定地工作存在困难。
在ASCENDS(Active Sensing of CO2 Emission over Nights，Days，andSeasons)计划中，为了精确测量CO2干混合比，也特别关注大气压力测量。NASA戈达德空间飞行中心的Mark Stephen，Michael Krainak，Haris Riris等人和Sigma SpaceCorporation的Graham R.Allan研究团队于2007-2013年连续报道他们以飞机为平台，激光发射机向下持续发出764.7nm附近的N个波长脉冲串，接收机接收地面对这些发射脉冲串的反射回波，多个脉冲串回波信号积累绘制出764.7nm附近氧气吸收谱曲线的凹槽片段(图1)，可由透过率曲线计算出氧气的光学厚度随大气压力变化，即可反演地面大气压力。该系统的激光发射机由1528.8nm-1530.0nm连续波、单纵模半导体激光器、声光斩波器、C波段掺铒光纤放大器、周期性极化KTP晶体倍频器等部分组成。致命的弱点是单脉冲能量过小(＜100μJ)，用于飞机平台可以，对于空间应用是难以想象的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，在保证较高的发射脉冲能量的前提下，确保发射机的探测波长和参考波长的稳定性。稳定波长的所有措施都不是直接针对氧气A吸收带中764.4nm-765.0nm(或759.5-760.5nm)中间的两个波长，而是间接针对它们双倍的1528.8-1530nm(或1519.0-1521nm)中间两个波长。
差分吸收激光雷达用到探测波长的脉冲激光，和参考波长的脉冲激光，两个波长都位于氧气A带吸收光谱中764.4nm-765.0nm(或759.5-760.5nm)的温度不敏感片段，从该片段中探测波长和参考波长的空气柱光学厚度差，可求得大气柱压力差。
为了保证发射机探测波长和参考波长的稳定，还需要向光参量振荡器注入单纵模的连续波种子激光，同时采用“ramp-hold-fire(扫描-保持-泵浦)”技术，锁定光参量振荡器的谐振腔的腔长，即谐振腔与种子光之间产生共振，从而使得光参量振荡器的信号光波长等于注入的种子光波长；另外，其中一个种子激光波长主动稳定在氰化氢HCN气体的吸收线R21(1529.376nm附近)上，另一个种子激光波长主动稳定在氰化氢HCN气体的R22吸收线(1529.836643nm)上。或者其中一个种子激光波长主动稳定在乙炔C2H2气体的R9(1520.086nm)吸收线上，另一个种子激光波长主动稳定在乙炔C2H2气体的吸收线R8(1520.570nm)上。这样所获得的激光波长稳定性，优于以氧气的光声光谱吸收池为基准的波长稳定单元。
因为1064nm激光的倍频效率高于1528.8-1530nm(或1519.0-1521nm)激光的倍频效率，所以为了获得几十毫焦以上的发射能量，先以固体激光器的基波1064nm一部分能量的激光脉冲作为泵浦源，去泵浦KTA(KTiOAsO4)晶体的光参量振荡器，输出的信号光波长位于1528.8-1530nm(或1519.0-1521nm)波段，1528.8-1530nm(或1519.0-1521nm)信号光脉冲经过二倍频器倍频之后，变成764.4nm-765.0nm(或759.5-760.5nm)的激光脉冲；再以固体激光器的另一部分能量的二倍频532nm的激光脉冲作为泵浦源，去泵浦KTP(KTiOPO4)晶体的光参量放大器，进一步放大764.4nm-765.0nm(或759.5-760.5nm)的激光脉冲能量，这样获得的单脉冲能量远高于掺铒光纤放大器输出的单脉冲能量，作为发射机的发射激光脉冲，光参量振荡器和光参量放大器输出的空闲光(3.5μm和1.7μm)被废弃掉。
探测大气压力的差分吸收激光雷达的发射机，由两个对称的部分组成，其中一个部分发射探测波长的激光脉冲，另一个部分发射参考波长的激光脉冲。
本发明的优点在于：发射机系统在保证较高的发射脉冲能量的前提下，确保发射机的探测波长和参考波长的稳定性。
附图说明
图1是氧气A-吸收带764.4nm-765.0nm穿过高度13km美国标准大气的透过率(HITRAN 2008)光谱图；
图2是1个大气压，温度280K-290K条件下，A-吸收带759.5nm-760.5nm波段吸收系数(单位km-1)光谱图。
图3是氰化氢HCN气体分子的1525nm-1565nm归一化透过率谱线(测试条件25Torr,15cm吸收池)分布图；
图4是乙炔C2H2气体分子的1510nm-1545nm归一化透过率谱线(测试条件50Torr,5cm吸收池)分布图；
图5是差分吸收激光雷达发射机的单一波长部分组成框图；
图6是种子激光波长主动稳定在氰化氢HCN气体(或乙炔C2H2)吸收线上的组成框图(相当于图5中的单元4)；
图7探测大气压力的差分吸收激光雷达发射机的双波长组合图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细的说明。
图1显示了基于HITRAN 2008数据库，计算的氧气A吸收带当中764.4nm-765.0nm波段激光，从高度13km穿过美国标准大气的到达地面的透过率光谱，图2显示了759.5nm-760.5nm地平面氧气的吸收系数光谱。A吸收带中764.4nm-765.0nm(或759.5nm-760.5nm)处氧气的吸收系数对压力变化敏感，对于温度变化不敏感。选择其中764.7nm(或760.285nm)为探测波长，选择764.9nm(或760.034nm)为参考波长。
图3中显示氰化氢HCN气体分子(在气压25Torr，光程长度15cm吸收池条件下)的1525nm-1565nm归一化透过率光谱；它们当中的R21和R22吸收线被选作种子激光的主动稳频的基准。图4显示乙炔C2H2气体分子(在气压50Torr，光程长度5cm吸收池条件下)的1510nm-1545nm归一化透过率光谱；它们当中的R9和R8吸收线被选作种子激光的主动稳频的基准。
图5差分吸收激光雷达单一波长发射器的组成框图，它包括单纵模稳频Nd:YAG激光器1，它输出的1064nm基波激光脉冲，经由分束器11，分成两部分，一部分能量泵浦光参量振荡器2，另一部分能量倍频成532nm泵浦光参量放大器3。探测波长764.7nm(或760.285nm)发射器30，参考波长与764.9nm(或760.034nm)发射器29组成相同，结构都如图5所示。
光参量振荡器2由四面腔镜M1、M2、M3、M4组成环形谐振腔，腔内有两块KTA非线性光学晶体6完成光脉冲的波长转换(1064nm→1529.4±0.6nm，或1064nm→1520.0±1.0nm)，腔内还有一块KD*P电光晶体6″(光束的入射端面和出射端面都有导电的电极，便于施加横向直流电压)。电光晶体6″、光探测器7、高压驱动器8，以及分布反馈半导体激光器种子源4(其构成如图6所示)组成环形谐振腔的腔长的控制环，采用了“扫描-保持-发射(ramp-hold-fire)”技术，通过光变形棱镜对9、光隔离器10、光纤准直器12，将种子激光注入光参量振荡器2的环形谐振腔，锁定光参量振荡器2的谐振腔的腔长，从而使得泵浦激光脉冲发射时，谐振腔腔长与种子光波长之间保持整数倍关系，谐振腔与种子光之间产生共振。光参量振荡器2输出的1528.8-1530nm(或1519.0-1521nm)信号光脉冲，再经过二倍频器5转换成764.4nm-765.0nm(或759.5nm-760.5nm)的光脉冲。
光参量放大器3由几块KTP非线性光学晶体6′先后(走离角互补)衔接组成，放大二倍频器5输出的764.7±0.3nm或760.0±0.5nm光脉冲。与氧气的A吸收带上的两个波长(探测波长、参考波长)相对应。
激光发射器29(30)还包括(1.064μm)光缩束器13，(1.5μm)第一光扩束器14，(0.76μm)第二光扩束器14′，(1.5μm)第一二分之一波片15，(1.064μm)第二二分之一波片15′，(0.76μm)第三二分之一波片15″，532nm光反射镜M5，分色片M6、M7，以及光路折转平面镜M8。旋转二分之一波片可以调整透射光的偏振方向，扩束器和缩束器可以改变透射光束的直径；上述二分之一波片的调节，使得种子光偏振方向与信号光偏振方向一致，信号光偏振方向与泵浦光偏振方向垂直(II类相位匹配)；上述缩束器和扩束器的使用，也使得1.5μm种子激光的直径略大于1.064μm泵浦光的直径，0.76μm信号光束直径不小于0.532μm泵浦光束直径。
单纵模稳频Nd:YAG激光器1输出的基波1064nm激光脉冲能量不小于400mJ，一部分基波光能量，泵浦光参量振荡器2信号光转换效率(1064nm→1529.4±0.6nm，或1064nm→1520.0±1.0nm)27％以上，信号光脉冲经过二倍频器5的转换效率(1529.4±0.6nm→764.7nm±0.3nm,或1520.0±1.0nm→760.0±0.5nm)25％以上。另一部分基波1064nm激光脉冲能量先经过二倍频器5′的转换成532nm(1064nm→532nm)效率50％左右，再泵浦光参量放大器3的转换效率(0.532μm→0.76μm)22％以上，光参量放大器3输出脉冲能量在40mJ左右。
图6种子激光波长主动稳定在HCN气体(乙炔C2H2)吸收线上的框图，其中采用了“Pound-Drever-Hall庞德-卓沃-豪”技术，它包括激光二极管恒流驱动器16、分布反馈激光二极管17、相位调制器25，氰化氢HCN(或乙炔C2H2)气体吸收池28、探测器27、跨阻放大器26、乘法器22、移相器23、信号发生器24、低通滤波器21、伺服系统20、激光二极管热电控制器19等，组成负反馈波长控制环，这个种子激光负反馈波长(光频率)控制环相当于图5当中单元4。
由两个相同(如图6所示)的负反馈控制环，分别将两个分布反馈激光二极管输出的激光波长主动稳定在HCN气体R21和R22吸收线上(图3所示)，或者乙炔C2H2气体P7和P8吸收线上(图4所示)。
图7探测大气压力的差分吸收激光雷达发射机的组合图。参考波长的激光脉冲光束发生器29发射s偏振态激光经过反射镜32入射偏振合束器33；探测波长的激光脉冲光束发生器30发射s偏振态激光经过二分之一波片31偏振方向旋转90°变成p偏振态激光，两个正交的偏振光束都经过偏振合束器33后重合在一起，重合后的光束都经过(0.76μm)四分之一波片34，变成圆偏振光，最后圆偏振光由扩束器35发射出去。其中参考波长的激光脉冲光束发生器29，和探测波长的激光脉冲光束发生器30的具体构成如图5所示。

Claims (4)

1.一种探测大气压力的差分吸收激光雷达发射机，包括单纵模、稳频Nd:YAG激光器(1)、以KTA晶体(6)为核心的环形腔光参量振荡器(2)和以KTP晶体(6′)为核心的光参量放大器(3)、种子激光源(4)、1.52μm二倍频器(5)、1.064μm二倍频器(5′)；其特征在于：
所述的光参量放大器(3)和发射机输出的都是氧气A吸收带764.4nm–765.0nm或759.5nm-760.5nm波段内的激光脉冲，而种子激光源(4)的主动波长稳定、光参量振荡器(2)信号光的产生、环形谐振腔的注入锁定，都是针对1529.4±0.6nm或1519.0nm-1521nm的波长，是发射机波长的两倍；种子激光源(4)的波长主动稳定在HCN气体的R21和R22吸收线，或者乙炔C2H2气体吸收线R9和R8上，该发射机的种子激光波长是以氰化氢HCN气体或乙炔C2H2气体的吸收线为参照基准的，而不是以氧气A吸收带0.759μm-0.770μm的某个波长作为参照基准，来进行频率主动稳定的；
所述的环形腔光参量振荡器(2)先输出波长稳定的、单纵模的、脉冲能量不小于20mJ的1529.4±0.6nm或1519.0nm-1521nm波长的激光，然后再经过倍频器(5)，再转换到脉冲能量不小于5mJ的氧气A吸收带764.4nm-765.0nm或759.5nm-760.5nm的合适波长，最后由参量放大器将脉冲能量放大至40mJ；
激光雷达发射机系统中采用第一二分之一波片(15)、第二二分之一波片(15′)、第三二分之一波片(15″)，以及光缩束器(13)、第一光扩束器(14)、第二光扩束器(14′)的使用，保证了光参量振荡器(2)和光参量放大器(3)中的光偏振态符合非线性频率转换的相位匹配条件，和光束重叠条件。
2.根据权利要求1所述的一种探测大气压力的差分吸收激光雷达发射机，其特征在于：所述的种子激光源(4)为波长1529.4±0.6nm或1519.0nm-1521.0nm谱段内、连续波、单纵模半导体激光器，种子激光主动稳频的参考基准是氰化氢HCN气体或乙炔C2H2气体的吸收线；所述的种子激光源(4)并非采用氧气A吸收带内764.4nm-765.0nm或759.5nm-760.5nm波长的半导体连续波激光器，种子激光主动稳频的参考基准也不是直接采用氧气的吸收谱中某一波长作为参考基准。
3.根据权利要求1所述的一种探测大气压力的差分吸收激光雷达发射机，其特征在于：所述的环形腔光参量振荡器(2)以KTA晶体(6)为非线性光转换介质，以基波1064nm激光脉冲作为泵浦源，产生1529.4±0.6nm或1519nm-1521nm的信号光脉冲。
4.根据权利要求1所述的一种探测大气压力的差分吸收激光雷达发射机，其特征在于：所述的光参量放大器(3)以KTP晶体(6′)为非线性光转换介质，以二倍频532nm激光脉冲作为泵浦源，放大764.4nm-765.0nm或759.5nm-760.5nm的信号光脉冲能量。
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