CN117269935B - 共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路、探测方法，可以应用于激光雷达技术领域。该全接收光路包括：前置光路组件，用于准直并会聚光束，并将光束分解为第一光束和第二光束，其中，第一光束和第二光束的偏振方向相互垂直，准直后的光束的发散角度小于第一预设角度，且会聚后的光束的发散角度小于第二预设角度，第一预设角度小于第二预设角；偏振光路组件，包括第一光路组件和第二光路组件，分别用于将第一光束和第二光束传输至后置光路组件，以滤除第一光束中的噪声光；后置光路组件，用于同时探测滤除噪声光后的第一光束和第二光束。

Description

共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，更具体地涉及一种共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路及探测方法。

背景技术

共振荧光激光雷达是一种能够高时空分辨探测中间层顶和低热层区域80-105公里的高度大气参数的强有力手段，例如大气温度、大气风速、原子密度等。目前国际上已有的多种利用不同原子共振荧光激光雷达，例如钠原子共振荧光激光雷达、钾原子共振激光雷达、铁原子共振荧光激光雷达等等。以钠原子共振荧光激光雷达来说，由于钠原子的共振荧光激发波长是可见光波长589.159nm，对于可见光波长要实现在白天对高层信号的探测，白天背景光噪声的抑制尤为重要。

原子滤波器具有窄线宽和带外高抑制比的特点，已成功应用于钠、钾温风激光雷达的白天探测。但是，由于大气对于回波信号的退偏作用，激光雷达望远镜接收的回波信号既有S偏振成分，也有P偏振成分，在现有的钠、钾温风激光雷达系统中，只接收其中单一的偏振成分回波，这会导致将近有一半的回波信号损失，极大的影响了系统探测效率。相关技术中，通过双通道独立原子滤波器对回波信号进行接收，实现了回波信号的全接收。

在实现本发明构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：采用双通道独立原子滤波器对回波信号进行接收需要分别进行磁场、保温和温度控制，在技术实现上很难保证完全一致性；而且，双通道独立原子滤波器占用体积大，实现成本高。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路及一种探测方法。

根据本发明的第一个方面，提供了一种共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路，包括：前置光路组件，用于准直并会聚光束，并将上述光束分解为第一光束和第二光束，其中，上述第一光束和上述第二光束的偏振方向相互垂直，准直后的光束的发散角度小于第一预设角度，且会聚后的光束的发散角度小于第二预设角度，上述第一预设角度小于上述第二预设角度；偏振光路组件，包括第一光路组件和第二光路组件，上述第一光路组件，用于将上述第一光束传输至后置光路组件，其中，上述第一光路组件形成的第一光路通过原子池，以滤除上述第一光束中的噪声光；上述第二光路组件，用于将上述第二光束传输至后置光路组件，其中，上述第二光路组件形成的第二光路通过上述原子池，以滤除上述第二光束中的噪声光；后置光路组件，用于同时探测滤除噪声光后的上述第一光束和上述第二光束。

根据本发明的实施例，在上述第一光束进入上述原子池时，上述第一光束的发散角度小于第三预设角度；在上述第二光束进入上述原子池时，上述第二光束的发散角度小于上述第三预设角度，上述第三预设角度大于上述第二预设角度。

根据本发明的实施例，上述第一光路组件和上述第二光路组件分布于上述共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的中心轴的上下两侧，且上述第一光路组件形成的第一光路的光轴与上述第二光路组件形成的第二光路的光轴不相交；上述第一光路组件远离上述中心轴的组件边缘与上述第二光路组件远离上述中心轴的组件边缘之间的距离小于22mm。

根据本发明的实施例，在上述原子池处根据相同的控制参数对上述第一光束和上述第二光束进行控制。

根据本发明的实施例，上述探测组件包括：上述第一光路的光程与上述第二光路的光程相等，使得上述第一光束和上述第二光束同时到达上述后置光路组件。

根据本发明的实施例，上述后置光路组件包括：第一偏振分光器，用于将滤除噪声光后的上述第一光束和上述第二光束合并为第三光束；聚焦镜组，用于将上述第三光束会聚为第四光束；探测器，设置于上述聚焦镜组之后，用于探测上述第四光束；其中，上述聚焦镜组用于将上述第四光束的光瞳成像会聚至上述探测器的光敏探测面；上述光敏探测面的宽度小于上述聚焦镜组的宽度。

根据本发明的实施例，上述前置光路组件包括：光纤，用于接收上述光束；光纤准直镜组，设置于上述光纤之后，用于对上述光纤输出的上述光束进行准直，其中，上述光纤准直镜组输出的光束的发散角度小于第四预设角度，上述第四预设角度大于上述第一预设角度且小于上述第二预设角度，第一聚焦透镜，设置于上述光纤准直镜组之后，用于对准直后的上述光束进行会聚，得到会聚后的光束，其中，第一聚焦透镜输出的光束的发散角度小于第二预设角度；第二偏振分光器，设置于上述第一聚焦透镜之后，用于将上述光束分解为上述第一光束和上述第二光束。

根据本发明的实施例，上述第一光路组件包括：第一反射镜，用于改变上述第一光束的方向；第二聚焦透镜，设置于上述第一反射镜之后，用于将上述第一光束的光纤端面成像至第一位置处；第三聚焦透镜，设置于上述第二聚焦透镜与上述原子池之间，上述第三聚焦透镜作为场镜，用于将上述第一光束输入上述原子池；其中，上述第一位置位于上述第二聚焦透镜和上述第三聚焦透镜之间；第四聚焦透镜，设置于上述原子池之后，用于会聚从上述原子池输出的上述第一光束；第五聚焦透镜，设置于上述第四聚焦透镜之后，用于将上述光纤端面会聚成像；其中，上述第二聚焦透镜与上述第三聚焦透镜搭配，共同用于将上述第一光束的光瞳成像至第二位置处，上述第二位置位于上述原子池与上述第五聚焦透镜之间。

根据本发明的实施例，上述第二光路组件包括：第六聚焦透镜，用于将上述第二光束的光纤端面成像至第三位置处；第七聚焦透镜，设置于上述第六聚焦透镜与上述原子池之间，上述第七聚焦透镜作为场镜，用于将上述第二光束输入上述原子池；其中，上述第三位置位于上述第七聚焦透镜和上述原子池之间；第八聚焦透镜，用于会聚从上述共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器输出的第二光束；第九聚焦透镜，设置于上述第八聚焦透镜之后，用于将上述光纤端面会聚成像；其中，上述第六聚焦透镜与上述第七聚焦透镜搭配，共同用于将上述第二光束的光瞳成像至第四位置处，上述第四位置位于上述原子池与上述第九聚焦透镜之间；第二反射镜，设置于上述第九聚焦透镜之后，用于将上述第九聚焦透镜准直后的上述第二光束反射至上述后置光路组件。

本发明的第二方面提供了一种探测方法，包括：通过前置光路组件接收并会聚光束，并将上述光束分解为第一光束和第二光束，上述第一光束和上述第二光束的偏振方向相互垂直；通过偏振光路组件中的第一光路组件将上述第一光束传输至后置光路组件，其中，上述第一光路组件形成的第一光路通过原子池，以滤除上述第一光束中的噪声光；通过上述偏振光路组件中的第二光路组件将上述第二光束传输至后置光路组件，其中，上述第二光路组件形成的第二光路通过上述原子池，以滤除上述第二光束中的噪声光；通过上述后置光路组件同时探测滤除噪声光后的上述第一光束和上述第二光束。

根据本发明的实施例，共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路通过将共振荧光激光雷达接收的回波信号光分解成偏振方向相互垂直的第一光束和第二光束，使这两束光分离后分别进入第一光路和第二光路，两路光路的光束同时经过原子池，最后再合并成一束光到达探测器光敏面，实现小型化、紧凑型的光束传输。此外，由于两路光路的光束同时经过原子池，因此，通过原子池能够实现对不同偏振方向两个光束同时进行保温、温度控制的操作，从而保证控制参数和数据一致性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的结构图。

图2示出了根据本发明实施例的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的光学结构图。

图3示出了根据本发明实施例的原子池的结构图。

图4示出了根据本发明实施例的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的第一光路的光路图。

图5示出了根据本发明实施例的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的第二光路的光路图。

图6示出了根据本发明实施例的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的第一光路和第二光路的组合光路图。

图7示出了根据本发明实施例的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的第一光路与第二光路的组合结构图。

图8示出了根据本发明实施例的偏振分光棱镜的结构图。

图9示出了根据本发明实施例的直角棱镜的正视图。

图10示出了根据本发明实施例的直角棱镜的侧视图。

图11示出了根据本发明实施例的应用共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的探测方法。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。

本发明的实施例提供了一种共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路，前置光路组件，用于接收并会聚光束，并将所述光束分解为第一光束和第二光束，其中，所述第一光束和所述第二光束的偏振方向相互垂直，准直后的光束的发散角度小于第一预设角度，且会聚后的光束的发散角度小于第二预设角度，所述第一预设角度小于所述第二预设角度；偏振光路组件，包括第一光路组件和第二光路组件，所述第一光路组件，用于将所述第一光束传输至后置光路组件，其中，所述第一光路组件形成的第一光路通过原子池，以滤除所述第一光束中的噪声光；所述第二光路组件，用于将所述第二光束传输至后置光路组件，其中，所述第二光路组件形成的第二光路通过所述原子池，以滤除所述第二光束中的噪声光；后置光路组件，用于同时探测滤除噪声光后的所述第一光束和所述第二光束。

图1示意性示出了根据本发明实施例的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的结构图。

如图1所示，共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路可以由前置光路组件100、偏振光路组件200和后置光路组件300组成。其中，偏振光路组件包括第一光路组件210和第二光路组件220。

根据本发明的实施例，共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路可以理解为共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器的实现光路。

根据本发明的实施例，前置光路组件100用于从共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路外部接收光束，并将光束会聚后分解为偏振方向相互垂直的第一光束和第二光束。

根据本发明的实施例，准直后的光束的发散角度小于第一预设角度，且会聚后的光束的发散角度小于第二预设角度，第一预设角度小于第二预设角度。例如，第一预设角度为4.5°，第二预设角度为8°。

根据本发明的实施例，偏振光路组件200置于前置光路组件100之后，包括第一光路组件210和第二光路组件220。第一光路组件210可以将第一光束传输至原子池滤除噪声光，并将滤除噪声光后的第一光束传输至后置光路组件300。第二光路组件220可以用于将第二光束传输至原子池滤除噪声光，并将滤除噪声光后的第二光束传输至后置光路组件300。

根据本发明的实施例，后置光路组件300置于偏振光路组件200之后，用于同时探测滤除噪声光后的第一光束和第二光束。

根据本发明的实施例，前置光路组件100可以包括光纤、准直镜等光学元件，光纤用于从共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路外部接收光束，准直镜用于对接收到的光束进行准直操作，将光束准直成较小发射角的光束。光束可以为回波信号光等需要进行探测的光束。

根据本发明的实施例，前置光路组件100还可以包括偏振分光棱镜等光学元件。偏振分光棱镜的材料可以为光学玻璃，例如熔石英、K9、BK7等，也可以为光学树脂，例如PMMA、PC等。偏振分光棱镜用于将光束分解成方向相互垂直的第一光束和第二光束。

根据本发明的实施例，偏振光路组件200可以包括反射镜、聚焦透镜等光学元件。反射镜可以用于改变光束的传输方向，聚焦透镜可以用于传输光束。

根据本发明的实施例，第一光路组件210可以包括聚焦透镜、反射镜等光学元件。反射镜可以用于改变第一光束的传输方向，聚焦透镜可以用于将第一光束传输至原子池，还可以用于将滤除噪声波后的第一光束传输至后置光路组件300。

根据本发明的实施例，第二光路组件220可以包括聚焦透镜、反射镜等光学元件。聚焦透镜可以用于将第二光束传输至原子池，还可以用于将滤除噪声光后的第二光束传输至反射镜。反射镜可以用于将滤除噪声光后的第二光束反射至后置光路组件300。

根据本发明的实施例，后置光路组件300可以包括偏振分光棱镜等光学元件和探测器。偏振分光棱镜的材料可以为光学玻璃，例如熔石英、K9、BK7等，也可以为光学树脂，例如PMMA、PC等。偏振分光棱镜可以用于将滤除噪声光后的第一光束反射至探测组件、将滤除噪声光后的第二光束透射至探测器。探测器可以用于对光束进行探测。

本发明实施例中的原子池可以为钠原子池、钾原子池等单原子池，以形成共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路。

根据本发明的实施例，共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路通过将共振荧光激光雷达接收的回波信号光分解成偏振方向相互垂直的第一光束和第二光束，使这两束光分离后分别进入第一光路和第二光路，两路光路的光束同时经过原子池，最后再合并成一束光到达探测器光敏面，实现紧凑型的光束传输。此外，由于两路光路的光束同时经过原子池，因此，通过原子池能够实现对不同偏振方向两个光束同时进行保温、温度控制的操作，从而保证数据一致性。

根据本发明的实施例，第一光束的发散角度可以为第一光束与光轴之间的最大偏离角度。第二光束的发散角度可以为第二光束与光轴之间的最大偏离角度。第三预设角度可以9°，第一光束和第二光束的发散角度均小于第三预设角度，即第一光束和第二光束的发散角度均小于9°。

根据本发明的实施例，第一光路组件和第二光路组件分别分布于共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的中心轴的上下两侧，并且第一光路组件形成的第一光路的光轴、与第二光路组件形成的第二光路的光轴不相交；其中，第一光束和第二光束同时经过原子池。

例如，第一光路的光轴和第二光路的光轴近似平行。

根据本发明的实施例，第一光路组件远离中心轴的组件边缘与第二光路组件远离中心轴的组件边缘之间的距离小于22mm，也即整个共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的高度/宽度小于22mm。

在本发明的实施例中，形成全接收光路的光学组件的整体宽度/高度小于22mm，将上述全接收光路应用于单原子滤波器时，单原子滤波器的外部机械结构的宽度/高度小于等于25mm，即形成小口径单原子滤波器。

根据本发明的实施例，第一光路的光程与第二光路的光程相等。具体地，第一光束由前置光路组件输出后经由第二光路传输至后置光路组件的光程，与第二光束由前置光路组件输出后经由第二光路传输至后置光路组件的光程相等。第一光束与第二光束同时由前置光路组件输出，同时到达后置光路组件。

根据本发明的实施例，在原子池处用于根据相同的控制参数对第一光束和第二光束进行控制。

根据本发明的实施例，原子池外侧设置有保温壳体、磁铁套件和温度控制套件，由此，在原子池处，可以对温度、磁场进行控制。

根据本发明的实施例，第一光束和第二光束中，一个为S偏振成分光，另一个为P偏振成分光。

在本发明的实施例中，全接收光路可以使用单套磁铁实现磁旋光作用，对于S偏振和P偏振成分光磁场控制作用相同，保证了良好的一致性；全接收光路还可以采用相同的温度控制器件，如保温层，温度对于S偏振和P偏振成分光的影响完全相同。

由此，本发明实施例中共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路在保证占用体积小、使用器件少的情况下，实现同时对S偏振和P偏振的探测，大幅降低了共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器的成本。

根据本发明的实施例，后置光路组件包括：第一偏振分光器，用于将滤除噪声光后的第一光束和第二光束合并为第三光束；聚焦镜组，用于将第三光束会聚为第四光束；探测器，设置于聚焦镜组之后，用于探测第四光束。

根据本发明的实施例，第一偏振分光器可以包括偏振分光棱镜。聚焦镜组可以包括双凸透镜。探测器可以包括用于接收光束信号的光敏探测面，光敏探测面的宽度小于聚焦镜组的宽度。

根据本发明的实施例，聚焦镜组用于将第四光束的光瞳成像会聚至探测器的光敏探测面，探测器接收第四光束的光瞳成像并探测第四光束。

根据本发明的实施例，光纤，用于接收光束；光纤准直镜组，设置于光纤之后，用于对光纤输出的光束进行准直；第一聚焦透镜，设置于光纤准直镜组之后，用于对准直后的光束进行会聚，得到会聚后的光束；第二偏振分光器，设置于第一聚焦透镜之后，用于将光束分解为第一光束和第二光束。

根据本发明的实施例，前置光路组件可以包括光纤、光纤准直镜组、第一聚焦透镜和第二偏振分光器。光纤准直镜组输出的光束的发散角度小于第一预设角度，第一聚焦透镜输出的光束的发散角度小于第二预设角度。

根据本发明的实施例，光纤准直镜组可以包括弯月透镜和双凸透镜，第一聚焦透镜可以为中继透镜，第二偏振分光器可以为偏振分光棱镜。第二偏振分光棱镜可以与第一偏振分光棱镜相同，也可以与第一偏振分光棱镜不同。

根据本发明的实施例，光纤准直镜组输出的光束的发散角度的角度小于4.5°。

根据本发明的实施例，第一光路组件包括：第一反射镜，用于改变第一光束的方向；第二聚焦透镜，设置于第一反射镜之后，用于将第一光束的光纤端面成像至第一位置处；第三聚焦透镜，设置于第二聚焦透镜与原子池之间，第三聚焦透镜作为场镜，用于将第一光束输入原子池；第四聚焦透镜，设置于原子池之后，用于会聚从原子池输出的第一光束；第五聚焦透镜，设置于第四聚焦透镜之后，用于将光纤端面会聚成像。

根据本发明的实施例，第一光路组件可以包括第一反射镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜和第五聚焦透镜。

根据本发明的实施例，第一位置处于第二聚焦透镜和第三聚焦透镜之间。

根据本发明的实施例，第二聚焦透镜和第三聚焦透镜搭配，共同用于将第一光束的光瞳成像至第二位置处，第二位置位于原子池和第五聚焦透镜之间。例如，第二位置可以位于第四聚焦透镜附近。

根据本发明的实施例，第二光路组件包括：第六聚焦透镜，用于将所述第二光束的光纤端面成像至第三位置处；第七聚焦透镜，设置于所述第六聚焦透镜与所述原子池之间，所述第七聚焦透镜作为场镜，用于将所述第二光束输入所述原子池；第八聚焦透镜，用于会聚从所述共振荧光激光雷达单原子滤波器输出的第二光束；第九聚焦透镜，设置于所述第八聚焦透镜之后，用于将所述光纤端面会聚成像；第二反射镜，设置于所述第九聚焦透镜之后，用于将所述第九聚焦透镜准直后的所述第二光束反射至所述后置光路组件。

根据本发明的实施例，第二光路组件可以包括第六聚焦透镜、第七聚焦透镜、第八聚焦透镜、第九聚焦透镜和第二反射镜。

根据本发明的实施例，第三位置位于第七聚焦透镜和原子池之间。

根据本发明的实施例，第六聚焦透镜和第七聚焦透镜搭配，共同用于将第二光束的光瞳成像至第四位置处，第四位置位于原子池和第九聚焦透镜之间。例如，第四位置可以位于第八聚焦透镜附近。

图2示意性示出了根据本发明实施例的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的光学结构图。

如图2所示，共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的光学结构可以包括光纤1、光纤准直镜组2、滤光片3、聚焦透镜4、偏振分光棱镜5、上光路6、下光路7、偏振分光棱镜8、聚焦镜组9、探测器光敏面1001和共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器吸收池1002。

根据本发明的实施例，光纤1用于将外部光线导入到共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路中，光纤1可以为单根光纤也可以为多根光纤集成的光纤束。光纤1的数值孔径NA满足0.12≤NA≤0.64。

根据本发明的实施例，光纤准直镜组2由弯月透镜和双凸透镜组成。弯月透镜由两个球面或非球面组成，双凸透镜由两个双凸球面或凸非球面组成。如图2所示，弯月透镜包括前表面凹面211、后表面凹面212，双凸透镜包括前凸球面221和后凸球面222。

根据本发明的实施例，弯月透镜和双凸透镜的材料可以为光学玻璃，例如熔石英、三氧化二铝、K9、BK7、ZF2等，也可以为树脂材料，例如PMMA、PC等。

根据本发明的实施例，光纤准直镜组2用于将光纤1输出的光束准直成小发散角度的光束，光纤准直镜组准直后的光束发散角度a2<4.5°。光纤准直镜组2的焦距fa2满足5mm＜fa2＜15mm。

根据本发明的实施例，滤光片3用于通过特定波长范围的光束，通过的光束波长可以是2000nm~3000nm范围内任意值，滤光片3可以为圆形，也可以为方形，优选圆形。滤光片3为圆形时，滤光片3的直径D3满足10mm≤D3≤15mm，厚度t3满足0.5mm<t3＜5mm。滤光片3的前表面31和后表面32为平面。

根据本发明的实施例，聚焦透镜4为中继透镜，镜片前后不能两个面都为凹面，但是可以为双凸表面，也可以一个面为平面另一个面为凸面，还可以一个面为凹面另一个面为凸面。例如，聚焦透镜4的前表面41和后表面42可以均为凸面。聚焦透镜4的焦距fa4满足50mm＜fa4＜110mm。

根据本发明的实施例，聚焦透镜4的材料可以为光学玻璃，例如熔石英、三氧化二铝、K9、BK7、ZF2等，也可以为树脂材料，例如PMMA、PC等。

根据本发明的实施例，偏振分光棱镜5和偏振分光棱镜8的材质可以为光学玻璃，例如熔石英、K9、B87等，也可以为光学树脂，例如PMMA、PC等。偏振分光棱镜5和偏振分光棱镜8用于将光束分解成偏振方向相互垂直的P偏振光和S偏振光，可以是，S偏振光透射，P偏振光反射，也可以S偏振光反射，P偏振光透射。例如，偏振分光棱镜5的第一面51、第二面52和第三面53均为平面，偏振分光棱镜8的第一面81、第二面82和第三面83均为平面，偏振分光棱镜5和偏振分光棱镜8的斜面镀有偏振分光膜。

根据本发明的实施例，偏振分光棱镜8与偏振分光棱镜5的尺寸可以相同，也可以不同。

根据本发明的实施例，上光路6包括平面反射镜61、聚焦透镜62、聚焦透镜63、聚焦透镜64和聚焦透镜65。

根据本发明的实施例，平面反射镜61与第一光束接触的表面611为平面。平面反射镜61可以为平面反射镜，也可以为直角棱镜。

根据本发明的实施例，聚焦透镜62还可以用于将第一光束再次会聚，其作用与第一聚焦透镜4共同作用将第一光束的光纤端面成像至聚焦透镜63附近的第一位置，聚焦透镜62的前后表面不能均为凹面，但可以均为凸面，也可以一个面为平面另一个面为凸面，还可以一个面为凹面另一个面为凸面。例如，聚焦透镜62的前表面621和后表面622均为凸面。

根据本发明的实施例，聚焦透镜63还可以与聚焦透镜62共同作用，将第一光束的光瞳成像到聚焦透镜64附近。聚焦透镜63的前后表面不能均为凹面，但可以均为凸面，也可以一个面为平面另一个面为凸面，还可以一个面为凹面另一个面为凸面。例如，聚焦透镜63的前表面631和后表面632均为凸面，聚焦透镜64的前表面641和后表面642均为凸面。

根据本发明的实施例，聚焦透镜65的前后表面不能均为凹面，但可以均为凸面，也可以一个面为平面另一个面为凸面，还可以一个面为凹面另一个面为凸面。例如，聚焦透镜65的前表面651和后表面652均为凸面。

根据本发明的实施例，聚焦透镜62、聚焦透镜63、聚焦透镜64和聚焦透镜65可以为光学玻璃材料，例如熔石英、三氧化二铝。

根据本发明的实施例，聚焦透镜62的焦距f62满足50mm＜f62＜110mm。聚焦透镜63的焦距f63满足15mm＜f63＜45mm。聚焦透镜64的焦距f64满足15mm＜f64＜45mm。聚焦透镜65的焦距f65满足20mm＜f65＜55mm。

根据本发明的实施例，下光路7包括聚焦透镜71、聚焦透镜72、聚焦透镜73、聚焦透镜74和平面反射镜75。

根据本发明的实施例，平面反射镜75与第二光束接触的表面751为平面。平面反射镜75可以为平面反射镜，也可以为直角棱镜。

根据本发明的实施例，聚焦透镜71、聚焦透镜72、聚焦透镜73和聚焦透镜74可以为光学玻璃材料，例如熔石英、三氧化二铝。

根据本发明的实施例，聚焦透镜71与聚焦透镜61类似，聚焦透镜72与聚焦透镜62类似、聚焦透镜73与聚焦透镜62类似、聚焦透镜74与聚焦透镜64类似。例如，聚焦透镜71的前表面711和后表面712均为凸面，聚焦透镜72的前表面721和后表面722均为凸面，聚焦透镜73的前表面731和后表面732均为凸面，聚焦透镜74的前表面741和后表面742均为凸面。

根据本发明的实施例，聚焦透镜71的焦距f71满足50mm＜f71＜110mm。聚焦透镜72的焦距f72满足15mm＜f72＜45mm。聚焦透镜73的焦距f73满足15mm＜f73＜45mm。聚焦透镜74的焦距f74满足20mm＜f74＜55mm。

根据本发明的实施例，聚焦镜组9由双凸透镜91和双凸透镜92组成。双凸透镜91由两个球面或非球面组成，前表面911和后表面912均为凸面。双凸透镜92由两个凸球面或凸非球面组成，例如，双凸透镜92的前表面921和后表面922均为凸面。双凸透镜91和双凸透镜92的焦距f9满足5mm<f9<20mm。

根据本发明的实施例，双凸透镜91和双凸透镜92的材料可以为光学玻璃，例如熔石英、三氧化二铝、K9、BK7、ZF2等，也可以为树脂材料，例如PMMA、PC等。

根据本发明的实施例，聚焦透镜4、聚焦透镜62、聚焦透镜63、聚焦透镜64、聚焦透镜65、聚焦透镜71、聚焦透镜72、聚焦透镜73、聚焦透镜74、双凸透镜91和双凸透镜92的直径Dt满足8mm＜Dt≤11mm。

根据本发明的实施例，光敏探测面1001用于接收第四光束。光敏探测面1001的感光面尺寸S满足0mm＜S≤8mm。

需要说明的是，本申请全接收光路的第一光束和第二光束分别通过原子池中预留的两个通道经过原子池。原子池的每个通道由设置于进入端的平行平板玻璃、设置于输出端的平行平板玻璃、以及空心的原子池柱体构成。

图3示意性示出了根据本发明实施例的原子池的结构图。

根据本发明的实施例，图3示意性示出了原子池中与全接收光路相关部分的结构，原子池可以包括平行平板玻璃001、平行平板玻璃002和原子池柱体003。需要说明的是，位于全接收光路外部的原子池部分还可以包括保温壳体、磁铁套件和温度控制套件等。

根据本发明的实施例，平行平板玻璃001和平行平板玻璃002的材料可以相同，可以是光学玻璃材料，例如熔石英、三氧化二铝和Prex等。原子池柱体003可以为空心圆柱型，材料可以是玻璃材料，例如Prex、石英等，内部充有高纯度的原子。平行平板玻璃001的前表面0011和后表面0012、平行平板玻璃002的前表面0021和后表面0022均为平面。

根据本发明的实施例，平行平板玻璃001的直径D001满足20mm≤D001≤23mm。平行平板玻璃002的直径D002满足20mm≤D002≤23mm。平行平板玻璃001和平行平板玻璃002之间的间距d12满足20mm≤30mm。原子池柱体003的内直径D0031满足19mm≤D0031≤23mm。原子池柱体003的外直径D0032满足24mm≤D0032≤25mm，优选25mm。

根据本发明的实施例，平行平板玻璃001和平行平板玻璃002的表面0011、0012、0021和0022均为平面。

图4示意性示出了根据本发明实施例的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的第一光路的光路图。

如图4所示，第一光路可以包括光纤准直镜组2、滤光片3、聚焦透镜4、偏振分光棱镜5、平面反射镜61、聚焦透镜62、聚焦透镜63、聚焦透镜64、聚焦透镜65、偏振分光棱镜8、聚焦镜组9和探测器光敏面1001。

根据本发明的实施例，第一光路的布局为Z字型布局。

根据本发明的实施例，第一位置af21位于聚焦透镜63附近。第二位置af22位于聚焦透镜64附近。第一位置可以为光纤端面的成像面，第二位置可以为光瞳成像面。

图5示意性示出了根据本发明实施例的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的第二光路的光路图。

如图5所示，第二光路可以包括光纤准直镜组2、滤光片3、聚焦透镜4、偏振分光棱镜5、聚焦透镜71、聚焦透镜72、聚焦透镜73、聚焦透镜74、平面反射镜75、偏振分光棱镜8、聚焦镜组9和探测器光敏面1001。

根据本发明的实施例，第二光路的布局为L字型布局。

根据本发明的实施例，第三位置af11位于聚焦透镜72附近。第四位置af12位于聚焦透镜73附近。第三位置可以为光纤端面的成像面，第四位置可以为光瞳af00的成像面。

图6示意性示出了根据本发明实施例的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的第一光路和第二光路的组合光路图。

图7示意性示出了根据本发明实施例的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的第一光路与第二光路的组合结构图。

根据本发明的实施例，第一光路光轴与第二光路光轴之间的夹角ag1满足0°≤ag1＜3°，优选0°。

根据本发明的实施例，上光路光轴与下光路光轴之间的距离dx满足5mm＜dx＜13mm。

根据本发明的实施例，如图7所示，d623满足25mm＜d623＜150mm，d634满足50mm＜d634＜150mm，d645满足25mm＜d645＜150mm。

根据本发明的实施例，d712满足25mm＜d712＜150mm，d723满足50mm＜d723＜150mm，d734满足25mm＜d734＜150mm。

图8示意性示出了根据本发明实施例的偏振分光棱镜的结构图。

如图8所示，偏振分光棱镜由两块直角棱镜组成，其中一个直角棱镜的三个边分别为z1、z2、z3，三个直角面分别为01、02、03，侧面为04，斜面05镀有偏振分光膜，另一块不设置膜层。直角面01和直角面03可以设置增透膜。

图9示意性示出了根据本发明实施例的直角棱镜的正视图。

如图9所示，直角棱镜角度b1满足30°＜b1＜70°，优选45°，b2为90°。

图10示意性示出了根据本发明实施例的直角棱镜的侧视图。

根据本发明的实施例，直角棱镜的三个边的尺寸：z1满足5mm＜z1＜12mm，z2满足5mm＜z2＜12mm，z3满足5mm＜z3＜12mm。

根据本发明的实施例，入射光束波长为200nm-3000nm中的任意波长段，d表示各镜片表面之间的中心间距，R表示各透镜表面的曲率半径，其中正值表示弯曲方向朝向出射光方向，即朝右，负值表示弯曲方向朝向入射光方向，即朝左。其中，n为透镜材料在587.6nm折射率，v为透镜材料阿贝数。

根据本发明的实施例，实施例1中第一光路如下表1所示。

表1

根据本发明的实施例，实施例1中第二光路如下表2所示。

表2

根据本发明的实施例，实施例2中第一光路如下表3所示。

表3

根据本发明的实施例，实施例2中第二光路如下表4所示。

表4

根据本发明的实施例，实施例3中第一光路如下表5所示。

表5

根据本发明的实施例，实施例3中第二光路如下表6所示。

表6

图11示意性示出了根据本发明实施例的应用共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的探测方法。

如图11所示，上述方法包括操作S1101~操作S1104。

在操作S1101，通过前置光路组件准直并会聚光束，并将光束分解为第一光束和第二光束，第一光束和第二光束的偏振方向相互垂直。

根据本发明的实施例，可以通过前置光路组件接收来自共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路外部的光束，并将光束会聚后输出。准直后的光束的发散角度小于第一预设角度，且会聚后的光束的发散角度小于第二预设角度，第一预设角度小于第二预设角度。

根据本发明的实施例，可以通过第一偏振分光组件将会聚后的光束分解为偏振方向垂直的第一光束和第二光束。

在操作S1102，通过偏振光路组件中的第一光路组件将第一光束传输至后置光路组件。

根据本发明的实施例，第一光路组件形成的第一光路通过原子池，以滤除第一光束中的噪声光。

根据本发明的实施例，原子池用于滤除第一光束中的噪声光。

在操作S1103，通过偏振光路组件中的第二光路组件将第二光束传输至后置光路组件。

根据本发明的实施例，第二光路组件形成的第二光路通过原子池，以滤除第二光束中的噪声光。

根据本发明的实施例，原子池用于滤除第二光束中的噪声光。

在操作S1104，通过后置光路组件同时探测滤除噪声光后的第一光束和第二光束。

根据本发明的实施例，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明实施例提供的计算机程序的程序代码，具体地，可以利用高级过程和/或面向对象的编程语言、和/或汇编/机器语言来实施这些计算程序。程序设计语言包括但不限于诸如Java，C++，python，“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网（LAN）或广域网（WAN），连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路，包括：

前置光路组件，用于准直并会聚光束，并将所述光束分解为第一光束和第二光束，其中，所述第一光束和所述第二光束的偏振方向相互垂直，准直后的光束的发散角度小于第一预设角度，且会聚后的光束的发散角度小于第二预设角度，所述第一预设角度小于所述第二预设角度；

偏振光路组件，包括第一光路组件和第二光路组件，

所述第一光路组件，用于将所述第一光束传输至后置光路组件，其中，所述第一光路组件形成的第一光路通过原子池，以滤除所述第一光束中的噪声光；

所述第二光路组件，用于将所述第二光束传输至后置光路组件，其中，所述第二光路组件形成的第二光路通过所述原子池，以滤除所述第二光束中的噪声光；

后置光路组件，用于同时探测滤除噪声光后的所述第一光束和所述第二光束；

所述第一光路的光程与所述第二光路的光程相等，使得所述第一光束和所述第二光束同时到达所述后置光路组件。

2.根据权利要求1所述的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路，其特征在于，在所述第一光束进入所述原子池时，所述第一光束的发散角度小于第三预设角度，所述第三预设角度大于所述第二预设角度；

在所述第二光束进入所述原子池时，所述第二光束的发散角度小于所述第三预设角度。

3.根据权利要求1所述的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路，其特征在于，所述第一光路组件和所述第二光路组件分布于所述共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的中心轴的上下两侧，且所述第一光路组件形成的第一光路的光轴与所述第二光路组件形成的第二光路的光轴不相交；

所述第一光路组件远离所述中心轴的组件边缘与所述第二光路组件远离所述中心轴的组件边缘之间的距离小于22mm。

4.根据权利要求1所述的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路，其特征在于，在所述原子池处根据相同的控制参数对所述第一光束和所述第二光束进行控制。

5.根据权利要求1所述的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路，其特征在于，所述后置光路组件包括：

第一偏振分光器，用于将滤除噪声光后的所述第一光束和所述第二光束合并为第三光束；

聚焦镜组，用于将所述第三光束会聚为第四光束；

探测器，设置于所述聚焦镜组之后，用于探测所述第四光束；

其中，所述聚焦镜组用于将所述第四光束的光瞳成像会聚至所述探测器的光敏探测面；所述光敏探测面的宽度小于所述聚焦镜组的宽度。

6.根据权利要求1所述的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路，其特征在于，所述前置光路组件包括：

光纤，用于接收所述光束；

光纤准直镜组，设置于所述光纤之后，用于对所述光纤输出的所述光束进行准直，其中，所述光纤准直镜组输出的光束的发散角度小于所述第一预设角度；

第一聚焦透镜，设置于所述光纤准直镜组之后，用于对准直后的所述光束进行会聚，得到会聚后的光束，其中，所述第一聚焦透镜输出的光束的发散角度小于所述第二预设角度；

第二偏振分光器，设置于所述第一聚焦透镜之后，用于将所述光束分解为所述第一光束和所述第二光束。

7.根据权利要求1所述的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路，其特征在于，

所述第一光路组件包括：

第一反射镜，用于改变所述第一光束的方向；

第二聚焦透镜，设置于所述第一反射镜之后，用于将所述第一光束的光纤端面成像至第一位置处；

第三聚焦透镜，设置于所述第二聚焦透镜与所述原子池之间，所述第三聚焦透镜作为场镜，用于将所述第一光束输入所述原子池；其中，所述第一位置位于所述第二聚焦透镜和所述第三聚焦透镜之间；

第四聚焦透镜，设置于所述原子池之后，用于会聚从所述原子池输出的所述第一光束；

第五聚焦透镜，设置于所述第四聚焦透镜之后，用于将所述光纤端面会聚成像；

其中，所述第二聚焦透镜与所述第三聚焦透镜搭配，共同用于将所述第一光束的光瞳成像至第二位置处，所述第二位置位于所述原子池与所述第五聚焦透镜之间。

8.根据权利要求1所述的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路，其特征在于，

所述第二光路组件包括：

第六聚焦透镜，用于将所述第二光束的光纤端面成像至第三位置处；

第七聚焦透镜，设置于所述第六聚焦透镜与所述原子池之间，所述第七聚焦透镜作为场镜，用于将所述第二光束输入所述原子池；

其中，所述第三位置位于所述第七聚焦透镜和所述原子池之间；

第八聚焦透镜，用于会聚从所述共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器输出的第二光束；

第九聚焦透镜，设置于所述第八聚焦透镜之后，用于将所述光纤端面会聚成像；

其中，所述第六聚焦透镜与所述第七聚焦透镜搭配，共同用于将所述第二光束的光瞳成像至第四位置处，所述第四位置位于所述原子池与所述第九聚焦透镜之间；

第二反射镜，设置于所述第九聚焦透镜之后，用于将所述第九聚焦透镜准直后的所述第二光束反射至所述后置光路组件。

9.一种应用权利要求1~8任一项所述的共振荧光激光雷达小口径单原子滤波器全接收光路的探测方法，包括：

通过前置光路组件准直并会聚光束，并将所述光束分解为第一光束和第二光束，所述第一光束和所述第二光束的偏振方向相互垂直，准直后的光束的发散角度小于第一预设角度，且会聚后的光束的发散角度小于第二预设角度，所述第一预设角度小于所述第二预设角度；

通过偏振光路组件中的第一光路组件将所述第一光束传输至后置光路组件，其中，所述第一光路组件形成的第一光路通过原子池，以滤除所述第一光束中的噪声光；

通过所述偏振光路组件中的第二光路组件将所述第二光束传输至后置光路组件，其中，所述第二光路组件形成的第二光路通过所述原子池，以滤除所述第二光束中的噪声光；

通过所述后置光路组件同时探测滤除噪声光后的所述第一光束和所述第二光束；

所述第一光路的光程与所述第二光路的光程相等，使得所述第一光束和所述第二光束同时到达所述后置光路组件。