CN112505660A - 用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置及使用方法，装置包括依次设置的第一DFB光纤激光器和第二DFB光纤激光器，作为种子激光光源；脉冲调制模块，将种子激光光源输出的连续光调制成设定重复频率的脉冲激光；掺杂光纤放大器，用于将脉冲调制模块输出的脉冲激光进行放大；倍频模块，将放大后的脉冲激光进行倍频。本发明利用两个DFB光纤激光器作为种子激光并分时输出，然后用脉冲调制模块将DFB光纤激光器输出的连续种子光调制成脉冲光，脉冲光经过掺杂光纤放大后倍频，获得脉冲能量几十uJ的双波长单纵模激光输出，满足水汽差分吸收激光雷达的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置及使用方法。
背景技术
差分吸收激光雷达(Differential Absorption Lidar,DIAL)是利用被测对象在不同波长上的吸收强度差异来遥感测量其浓度的一种装置。其基本原理是：向大气发射两束波长间隔很近的激光，一束激光的波长位于待测气体的光谱吸收线上，记为λon，该激光被待测气体强烈地吸收，称为on-line；另一束激光的波长处于待测气体的光谱吸收线翼上，记为λoff，该激光基本不被待测气体吸收或吸收较弱，称为off-line。由于两束激光的波长间隔很近，所以可以认为大气散射以及发射和接收系统对两束激光的影响基本一样，通过合理的波长选择，避开其他气体成分吸收的影响，从而可以利用两束激光的回波信号将干扰量差分消去，并反演出待测气体的浓度。与水汽拉曼激光雷达相比，差分吸收激光雷达的回波信号是由米散射和瑞利散射组成，回波信号强，使得水汽差分吸收激光雷达在白天也能具有较好的探测性能。
在差分吸收激光雷达中，早期采用钛宝石激光器作为光源，利用光栅作为后腔镜，通过调节光栅角度，分时输出两个差分吸收波长。钛宝石激光器通常需要利用一台YAG激光器作为泵浦源，导致系统成本高，并且系统体积和重量都比较大，还需要专业人员维护运行。
近几年出现了以半导体激光器作为种子光，通过脉冲调制和放大后，得到双频窄线宽脉冲输出。但是由于受到激光波长和增益介质的限制，其放大倍率有限，通常能够得到几个uJ的激光脉冲输出，限制了激光雷达的探测能力。并且，种子源和各放大级间的耦合比较复杂。利用光参量振荡器(OPO)对半导体激光器输出的种子光进行放大时，需要一台激光器泵浦OPO，系统成本高，并且系统体积和重量都比较大，需要专业人员维护运行。
发明内容
为了解决水汽差分吸收激光雷达中激光光源的问题，为此，本发明提供一种用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置及使用方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置，包括依次设置的
第一DFB光纤激光器和第二DFB光纤激光器，作为种子激光光源；
脉冲调制模块，将种子激光光源输出的连续光调制成设定重复频率的脉冲激光；
掺杂光纤放大器，用于将脉冲调制模块输出的脉冲激光进行放大；
倍频模块，将第一DFB光纤激光器输出并放大的激光倍频，得到波长位于水汽吸收线翼λoff上激光输出；将第二DFB光纤激光器输出并放大的激光倍频，得到波长位于水汽吸收线λon上激光输出。
第一种方案为：装置包括两套由脉冲调制模块、掺杂光纤放大器、倍频模块的激光处理单元，分别用于处理第一DFB光纤激光器输出的激光和第二DFB光纤激光器输出的激光。
第二种方案为：装置还包括光切换模块，分时选通第一DFB光纤激光器和第二DFB光纤激光器输出的种子激光，实现两个波长的种子光交替输出。
具体地说，还包括频率锁定模块，用于锁定第二DFB光纤激光器的输出频率。
具体地说，所述脉冲调制模块为声光调制器AOM或斩波器。
具体地说，装置还包括为第一DFB光纤激光器和第二DFB光纤激光器提供设定环境温度的第一温控模块。
具体地说，所述第一DFB光纤激光器中心波长设置在1949.8nm，所述第二DFB光纤激光器中心波长设置在1950.4nm，λoff＝974.9nm，λon＝975.2nm。
具体地说，装置还包括为倍频模块提供设定环境温度的第二温控模块。
用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置的使用方法，包括步骤：
S1、选择稳频在1950nm左右设定范围内的第一DFB光纤激光器和第二DFB光纤激光器作为种子激光光源；
S2、使用光切换模块，将第一DFB光纤激光器和第二DFB光纤激光器输出的激光交替输出到脉冲调制模块中；
S3、输入到脉冲调制模块中的连续激光被调制成脉冲激光；
S4、输出的脉冲激光经过掺杂光纤放大器放大后输出到倍频模块；
S5、放大后的脉冲激光经过倍频模块二倍频，得到包括将第一DFB光纤激光器输出的激光倍频，输出的激光位于水汽吸收线翼λoff上；将第二DFB光纤激光器输出的激光倍频，输出的激光位于水汽吸收线λon上。
第二种方案中，用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置的使用方法，包括步骤：
S1、选择稳频在1950nm左右设定范围内的第一DFB光纤激光器和第二DFB光纤激光器作为激光光源；
S2、两个激光光源分别输入到对应的脉冲调制模块中，将连续激光调制成脉冲激光；
S4、输出的两束脉冲激光分别经过对应的掺杂光纤放大器放大后输出到倍频模块；
S5、两束放大后的脉冲激光分别经过对应的倍频模块二倍频，第一DFB光纤激光器对应输出的倍频激光位于水汽吸收翼λoff上，第二DFB光纤激光器对应输出的倍频激光位于水汽吸收线λon上。
本发明的优点在于：
(1)本发明利用具有输出线宽窄、频率稳定、环境适应性好等特点的DFB光纤激光器作为种子激光，然后用脉冲调制模块将DFB光纤激光器输出的连续种子光调制成脉冲光，脉冲光经过掺杂光纤放大后，获得一个脉冲能量几十uJ的激光输出，满足水汽差分吸收激光雷达的应用需求。
(2)在本方案中在水汽分子在975nm附近吸收谱线附近选择合适的差分吸收波长对，对应的可以选用输出中心波长在1950nm的DFB光纤激光器作为种子光源，经过掺杂光纤放大后，经过倍频模块，得到975nm附近的单频激光脉冲输出。并且水汽分子在975nm附近的谱线吸收强度适当，其它气体成分的干扰也非常小，适用于大气中水汽分布的差分吸收探测。
(3)选用DFB光纤激光器、全光纤调制器AOM、掺杂光纤放大器可以实现全光纤的双波长单纵模脉冲激光器，能够有效提高水汽差分吸收激光雷达的小型化水平和环境适应性。
(4)对吸收线上的第二DFB光纤激光器输出光进行频率监测，然后反馈给第二DFB光纤激光器进行稳频，从而优化输出效果。
(5)本发明将促进水汽差分吸收激光雷达技术的进步，及其在气象和环保领域中的应用。
附图说明
图1为水汽分子975nm波长附近的光谱透过率曲线。
图2为双波长单纵模脉冲光纤激光器装置使用光切换模块时的结构示意图。
图3为双波长单纵模脉冲光纤激光器装置使用两套激光处理单元时的结构示意图。
图中标注符号的含义如下：
1、第一DFB光纤激光器；2、第二DFB光纤激光器；3、光切换模块；4、脉冲调制模块；5、掺杂光纤放大器；6、倍频模块；7、频率锁定模块
具体实施方式
实施例1
如图2所示，一种用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置，包括依次设置的
第一DFB光纤激光器1和第二DFB光纤激光器2，作为种子激光光源。和以往在水汽差分吸收激光雷达中采用半导体激光作为种子激光光源相比，本方案中可以采用掺杂光纤对DFB光纤激光器出射的种子激光进行放大，增益系数更大，能够获得更大能量的脉冲输出，有利于提高水汽差分吸收激光雷达的探测性能。
光切换模块3，用于切换输出第一DFB光纤激光器1和第二DFB光纤激光器2输出的激光，所述光切换模块3的输出端与脉冲调制模块4的输入端连接。所述光切换模块3为光开关。
脉冲调制模块4，将作为激光光源的连续光调制成设定重复频率的脉冲激光；所述脉冲调制模块4为声光调制器AOM或斩波器。在该方案中为声光调制器AOM。
掺杂光纤放大器5，用于将脉冲调制模块4输出的脉冲激光进行放大；
倍频模块6，将第一DFB光纤激光器1输出并放大的激光倍频，得到波长位于水汽吸收线翼λoff上激光输出；将第二DFB光纤激光器2输出并放大的激光倍频，得到波长位于水汽吸收线λon上激光输出。所述倍频模块6为倍频晶体。
优化的，装置还包括频率锁定模块7，用于锁定第二DFB光纤激光器2的输出频率。第二DFB光纤激光器输出的连续种子光分出一路进入频率锁定模块7，将其输出频率稳定地锁定在水汽吸收线上。
优化的，装置还包括为第一DFB光纤激光器1和第二DFB光纤激光器2提供设定环境温度的第一温控模块。将第一DFB光纤激光器1和第二DFB光纤激光器2放置在第一温控模块里进行封装，温控精度在1mK范围内，可以提高激光器输出的稳定性，满足差分水汽激光雷达探测需求。
优化的，装置还包括为倍频模块6提供设定环境温度的第二温控模块，倍频模块6直接关系到激光的转换效率和功率稳定性，第二温控模块能够保证较高的倍频转换效率，第二温控模块还可以防止倍频晶体潮解，防止环境温度急剧变化对倍频晶体结构造成破坏。
所述第一DFB光纤激光器中心波长设置在1949.8nm，所述第二DFB光纤激光器中心波长设置在1950.4nm，经过倍频后，对应的λoff＝974.9nm，λon＝975.2nm。
一种用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置的使用方法，包括步骤：
S1、选择稳频在1950nm左右设定范围内的第一DFB光纤激光器1和第二DFB光纤激光器2作为激光光源；
S2、使用光切换模块3，将第一DFB光纤激光器1和第二DFB光纤激光器2输出的激光交替输出到脉冲调制模块4中；
S3、输入到脉冲调制模块4中的连续激光转换成脉冲激光；
S4、输出的脉冲激光经过掺杂光纤放大器5放大后输出到倍频模块6；
S5、放大后的脉冲激光经过倍频模块6二倍频，得到包括将第一DFB光纤激光器1输出的激光倍频，输出的激光位于水汽吸收线翼λoff上；将第二DFB光纤激光器2输出的激光倍频，输出的激光位于水汽吸收线λon上。
实施例2
如图3所示，用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置，包括依次设置的
第一DFB光纤激光器1和第二DFB光纤激光器2，作为激光光源；
脉冲调制模块4，将作为激光光源的连续光处理成设定频率的脉冲激光；所述脉冲调制模块4为声光调制器AOM或斩波器。在该方案中为声光调制器AOM。
掺杂光纤放大器5，用于将脉冲调制模块4输出的脉冲激光进行放大；
倍频模块6，将第一DFB光纤激光器1输出并放大的激光倍频，得到波长位于水汽吸收线翼λoff上激光输出；将第二DFB光纤激光器2输出并放大的激光倍频，得到波长位于水汽吸收线λon上激光输出。
装置包括两套由脉冲调制模块4、掺杂光纤放大器5、倍频模块6的激光处理单元，分别用于处理第一DFB光纤激光器1输出的激光和第二DFB光纤激光器2输出的激光。
优化的，装置还包括频率锁定模块7，用于锁定第二DFB光纤激光器2的输出频率。第二DFB光纤激光器2输出的连续种子光分出一路进入频率锁定模块7，将其输出频率稳定地锁定在水汽吸收线上。
优化的，装置还包括为第一DFB光纤激光器1和第二DFB光纤激光器2提供设定环境温度的第一温控模块、为倍频模块6提供设定环境温度的第二温控模块。
所述第一DFB光纤激光器1稳频在1950.4nm，所述第二DFB光纤激光器2稳频在1949.8nm，λon＝975.2nm，λoff＝974.9nm。
用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置的使用方法，包括步骤：
S1、选择稳频在1950nm左右设定范围内的第一DFB光纤激光器1和第二DFB光纤激光器2作为激光光源；
S2、两个激光光源分别输入到对应的脉冲调制模块4中，将连续激光转换成脉冲激光；
S4、输出的两束脉冲激光分别经过对应的掺杂光纤放大器5放大后输出到倍频模块6；
S5、两束放大后的脉冲激光分别经过对应的倍频模块6二倍频，第一DFB光纤激光器1对应输出的倍频激光位于水汽吸收线翼λoff上，第二DFB光纤激光器2对应输出的倍频激光位于水汽吸收线λon上。
实施例1和实施例2的工作原理如下：利用第一DFB光纤激光器1和第二DFB光纤激光器2作为激光光源，输出的基频连续光经过声光调制器AOM调制成9kHz重复频率的脉冲激光，之后经过掺杂光纤放大器5获得一个脉冲能量几十uJ的激光输出，再经过倍频模块6分别得到位于水汽吸收线λon＝975.2nm和位于水汽吸收线翼上λoff＝974.9nm的激光输出，单脉冲能量达到30uJ左右。经过扩束后发射到大气中，由于两束激光的波长间隔很近，并且水汽之外的其它气体成分在这两个波长上的吸收非常小，所以可以认为大气中其它气体物质以及发射和接收系统对两束激光的影响基本一样，从而可以利用两束激光的回波信号将干扰量差分消去，并反演出水汽浓度。
需要注意的是，上述两个技术方案中所述第一DFB光纤激光器中心波长设置在1949.8nm，所述第二DFB光纤激光器中心波长设置在1950.4nm，λoff＝974.9nm，λon＝975.2nm。本申请并不限定于此，在此仅作为实施例。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置，其特征在于，包括依次设置的
第一DFB光纤激光器(1)和第二DFB光纤激光器(2)，作为种子激光光源；
脉冲调制模块(4)，将种子激光光源输出的连续光调制成设定重复频率的脉冲激光；
掺杂光纤放大器(5)，用于将脉冲调制模块(4)输出的脉冲激光进行放大；
倍频模块(6)，将第一DFB光纤激光器(1)输出并放大的激光倍频，得到波长位于水汽吸收线翼λoff上激光输出；将第二DFB光纤激光器(2)输出并放大的激光倍频，得到波长位于水汽吸收线λon上激光输出。
2.根据权利要求1所述的用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置，其特征在于，装置包括两套由脉冲调制模块(4)、掺杂光纤放大器(5)、倍频模块(6)的激光处理单元，分别用于处理第一DFB光纤激光器(1)输出的激光和第二DFB光纤激光器(2)输出的激光。
3.根据权利要求1所述的用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置，其特征在于，装置还包括光切换模块(3)，分时选通第一DFB光纤激光器(1)和第二DFB光纤激光器(2)输出的种子激光，实现两个波长的种子光交替输出。
4.根据权利要求1所述的用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置，其特征在于，还包括频率锁定模块(7)，用于锁定第二DFB光纤激光器(2)的输出频率。
5.根据权利要求1所述的用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置，其特征在于，所述脉冲调制模块(4)为声光调制器AOM或斩波器。
6.根据权利要求1所述的用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置，其特征在于，装置还包括为第一DFB光纤激光器(1)和第二DFB光纤激光器(2)提供设定环境温度的第一温控模块。
7.根据权利要求1所述的用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置，其特征在于，所述第一DFB光纤激光器中心波长设置在1949.8nm，所述第二DFB光纤激光器中心波长设置在1950.4nm，λoff＝974.9nm，λon＝975.2nm。
8.根据权利要求1所述的用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置，其特征在于，装置还包括为倍频模块(6)提供设定环境温度的第二温控模块。
9.用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置的使用方法，其特征在于，包括步骤：
S1、选择稳频在1950nm左右设定范围内的第一DFB光纤激光器(1)和第二DFB光纤激光器(2)作为种子激光光源；
S2、使用光切换模块(3)，将第一DFB光纤激光器(1)和第二DFB光纤激光器(2)输出的激光交替输出到脉冲调制模块(4)中；
S3、输入到脉冲调制模块(4)中的连续激光转换成脉冲激光；
S4、输出的脉冲激光经过掺杂光纤放大器(5)放大后输出到倍频模块(6)；
S5、放大后的脉冲激光经过倍频模块(6)二倍频，得到包括将第一DFB光纤激光器(1)输出的激光倍频，输出的激光位于水汽吸收线翼λoff上；将第二DFB光纤激光器(2)输出的激光倍频，输出的激光位于水汽吸收线λon上。
10.用于水汽差分吸收激光雷达的光纤激光装置的使用方法，其特征在于，包括步骤：
S1、选择稳频在1950nm左右设定范围内的第一DFB光纤激光器(1)和第二DFB光纤激光器(2)作为激光光源；
S2、两个激光光源分别输入到对应的脉冲调制模块(4)中，将连续激光转换成脉冲激光；
S4、输出的两束脉冲激光分别经过对应的掺杂光纤放大器(5)放大后输出到倍频模块(6)；
S5、两束放大后的脉冲激光分别经过对应的倍频模块(6)二倍频，第一DFB光纤激光器(1)对应输出的倍频激光位于水汽吸收线翼λoff上，第二DFB光纤激光器(2)对应输出的倍频激光位于水汽吸收线λon上。
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2020
- 2020-11-26 CN CN202011354614.1A patent/CN112505660A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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