CN210074417U - 828nm大气水汽探测差分吸收激光雷达发射机系统 - Google Patents
828nm大气水汽探测差分吸收激光雷达发射机系统 Download PDFInfo
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Abstract
本专利公开了一种828nm大气水汽探测差分吸收激光雷达发射机系统，包括828nm连续波种子激光器，单纵模窄线宽脉冲Nd:YAG激光器，KTP环形腔光参量振荡器，基于水汽吸收的多通道吸收池的PDH种子激光波长稳定单元，基于扫描保持技术的光参量振荡器谐振腔腔长锁定单元。本专利能够产生适用于大气水汽探测的单频激光脉冲，是差分吸收激光雷达的核心结构。
Description
技术领域
本专利涉及激光雷达遥感测量领域，也涉及一种地基或车载的大气水汽遥感仪器，尤其是一种探测大气水汽分布、工作在828nm波段的差分吸收激光雷达的发射机系统。
背景技术
激光雷达是以发射激光束来探测目标特征量的光学主动遥感设备，目前已成为探测大气成分及其垂直分布的最有效的手段之一。发射机发出5至200ns 的超短激光脉冲，进入大气后在行进过程中不断与大气中的待测物质发生相互作用，其后向Raman散射、后向Mie散射和后向Rayleigh散射均可作为回波信号被望远镜接收，由光电探测器检测转换成电压信号送给模数转换器件以便于后续的信号处理与反演工作。
上世纪80年代以来，国际上相继建立基于多种平台探测对流层大气水汽廓线的差分吸收激光雷达。因为大气水汽主要集中在大气边界层，根据国际经验，机载和空间应用的差分吸收激光雷达，发射激光束由高层大气向低层大气传输，光束下行的路径上水汽浓度由低到高，对激光的吸收由弱到强，一般认为此时水汽对发射激光的吸收截面相对大些更为适宜；地基和车载差分吸收激光雷达探测由地表起至对流层顶的大气水汽含量，一般采用吸收截面相对小的 815-820nm附近或720-730nm附近波段。
国际上已经建立的探测对流层水汽的地基差分吸收激光雷达发射机系统主要分为两大类，一类以低重复频率、大脉冲能量构建，如使用钛宝石激光器或翠绿宝石激光器。钛宝石激光器发射机采用了种子注入和谐振腔主动稳频技术，发射机的光谱性能较稳定，波长一般靠近钛宝石增益较高的波长815-820nm；翠绿宝石激光器一般工作在720-730nm的水汽吸收区，但在720-730nm波段大气分子后向散射产生的谱线展宽严重，反演误差增大。另一类使用重复频率高，脉冲能量很低的发射机，以二极管激光器和半导体放大器为核心，工作波长为 823、828nm，这类激光雷达称之为微脉冲差分吸收激光雷达。
随着光参量振荡器技术不断进步和窄线宽单纵模Nd:YAG激光器的不断成熟，基于种子注入的光参量振荡器方法可以产生优良的828nm-828nm激光束，覆盖水汽的一个吸收光谱区，因而可以用作地基或车载差分吸收激光雷达探测大气对流层水汽廓线的激光发射机。
发明内容
本专利旨在提出一种工作在820～830nm波段的差分吸收激光雷达的发射机系统，这样做的目的在于进一步丰富用于水汽探测的差分吸收激光雷达构建手段，增强差分吸收激光雷达应用的普遍性。
本专利一种828nm大气水汽探测差分吸收激光雷达发射机系统包括单频泵浦激光器1，主动稳频的828nm种子激光器2和环形腔光参量振荡器3。
由所述的单频泵浦激光器1发射的532nm泵浦激光脉冲经过环形腔光参量振荡器3转换为828nm的探测激光脉冲，转换过程需要将主动稳频的828nm种子激光器2产生的种子激光注入环形腔光参量振荡器3。
所述的主动稳频模块的828nm种子激光器2包括828nm DFB激光器2-1，95： 5光纤分路器2-2，水汽吸收池2-3，气体池光电探测器2-4，种子光控制电子单元 2-5。由828nmDFB激光器2-1产生的种子激光经过95：5光纤分路器2-2分为两路， 95％送往环形腔光参量振荡器3，5％送往水汽吸收池2-3；水汽吸收后由气体池光电探测器2-4获得吸收信号，种子光控制电子单元2-5根据吸收信号对828nm DFB激光器2-1进行反馈控制。
所述的环形腔光参量振荡器3包括腔镜M13-1，腔镜M2 3-2，腔镜M3 3-3，腔镜M43-4，压电陶瓷3-5，KTP晶体1 3-6，KTP晶体2 3-7；由单频泵浦激光器1发射的532nm泵浦激光脉冲由腔镜M2 3-2进入环形谐振腔，环形腔光参量振荡器3产生的828nm激光脉冲经由腔镜M3 3-3离开谐振腔，所述的环形腔光参量振荡器3同时使用了谐振腔稳定模块，包括谐振腔光电探测器23，谐振腔控制电子单元24和LV放大器25，谐振腔光电探测器23获得的腔长调制信号通过谐振腔控制电子单元24的计算与LV放大器(25)的放大后反馈至压电陶瓷3-5。
本专利能够产生适用于大气水汽探测的单频激光脉冲，是差分吸收激光雷达的核心结构。
附图说明
图1 828nm水汽探测差分吸收激光雷达发射机框图。图中标号：1-单频泵浦激光光源，其中1-1是1064nm Nd:YAG光放大器、1-2是二倍频器、1-3 是1064nm Nd:YAG主振荡器、1-4是1064nm种子源；2是主动稳频的828nm 种子激光器、3是环形腔光参量振荡器、4是R1064T532介质膜双色镜、5是 1064nm反射镜、6是R532T1064介质膜双色镜、7是R532T828介质膜双色镜。
图2水汽标准吸收池吸收光谱特性及调制频率示意。
图3主动稳频的828nm种子激光器结构框图。图中标号：2-1是828nm DFB激光器、2-2是95:5光纤分路器、2-3是水汽吸收池、2-4是气体池光电探测器、2-5是种子光控制电子单元。
图4种子注入的光参量振荡器示意图。图中标号：2是主动稳频的828nm 种子激光器、3是环形腔光参量振荡器，3-1是腔镜M1，3-2是腔镜M2，3-3 是腔镜M3，3-4是腔镜M4、3-5是压电陶瓷、3-6是KTP晶-1、3-7是KTP 晶-2、8是整形棱镜、9是光隔离器、10-1是光纤耦合-1、10-2是光纤、10-3 是光纤耦合器-2、11是准直镜、12是半波-1、13是828nm反射镜、14是532nm 反射镜、15是光挡-1、16是半波-2、17是泵浦光缩束镜组、18是R828T532 介质膜双色镜，19是光挡-2、20是光束取样镜、21是828nm反射镜、22是光阑、23是谐振腔光电探测器、24是谐振腔控制电子单元、25是LV放大器。
图5扫描保持方法锁腔时序图。
具体实施方式
所述激光雷达发射机系统包括单频泵浦激光器1、主动稳频的828nm种子激光器2、环形腔光参量振荡器3以及必要的光学镜片4～7，整体结构如图1所示。其中，采用种子注入的Nd:YAG激光器作为泵浦源，包括1064nm Nd:YAG 光放大器1-1、二倍频晶体1-2、1064nmNd:YAG主振荡器1-3、1064nm种子源1-4。单频泵浦激光器1产生泵浦激光，到达R1064T532介质膜双色镜4时的泵浦激光同时包含1064nm成分和532nm成分。R1064T532介质膜双色镜4 镀532nm减反射膜和1064nm高反射膜，使得532nm激光透过4进入环形腔光参量振荡器3，1064nm反射至1064nm反射镜5，并被5再次反射至 R532T1064介质膜双色镜6。R532T1064介质膜双色镜6镀1064nm减反射膜和532nm高反射膜，使得1064nm透过6被释放掉。由环形腔光参量振荡器3 出射的激光同时包含828nm成分和532nm成分，R532T828介质膜双色镜7镀 828nm减反射膜和532nm高反射膜，使得828nm激光透过7进行发射，532nm 激光被7反射至R532T1064介质膜双色镜6，并被6再次反射释放。
所述激光雷达发射机系统使用主动稳频的828nm种子激光器2作为光参量振荡器注入种子源，如图3，包括828nm DFB激光器2-1、95:5光纤分路器 2-2、水汽吸收池2-3、气体池光电探测器2-4、种子光控制电子单元2-5。种子光的波长以水汽标准吸收池的光吸收率曲线中心极小值频率ω0作为参照标准，如图2，使用PDH(Pound–Drever–Hall)稳频技术稳定种子源波长。
对连续波种子激光频率ω进行电光相位调制，入射到水汽多通道吸收池之前被相位调制的电场变为
Einc＝E0ei(ωt+msinδt)≈E0[J0(m)eiωt+J1(m)ei(ω+δ)t-J1(m)ei(ω-δ)t] (1)
其中m是相位调制的深度，δ调制波的频率，msinδt即为相位调制项。被调制的连续激光分裂成三个频谱，分别为中心频率分量载波J0(m)eiωt，以及分布在中心频率两侧、幅度相等且相位相反的两个边带。当种子光频率ω对准参考水汽多通道吸收池的中心频率ω0时，水汽吸收之后的上下边带与载波拍频电流大小相等且相位相反，探测器输出Pcoherent为零；反之，种子光频率ω与水汽多通道吸收池的中心频率ω0不等时，两侧边带经过水汽多通道吸收池的吸收之后其反对称性被破坏，上下边带与载波拍频电流不再抵消，此时探测器输出Pcoherent与原射频调制信号sinδt相混频，并进行低通滤波之后，即得到含有种子激光频率与水汽多通道吸收池的中心频率偏差信息。后级PID伺服控制系统根据此偏差信息反馈控制种子激光器的注入电流和压电电压，从而实现种子激光器的频率ω向水汽多通道吸收池的中心频率ω0逼近。
所述激光雷达发射机系统使用的产生单频828nm波长激光的工作光路如图 4所示。由单频泵浦激光器1产生的532nm泵浦激光经过泵浦光缩束镜组17和半波-2 16后，由532nm反射镜14反射，通过腔镜M2 3-2进入谐振腔；由主动稳频的828nm种子激光器2产生的种子激光经过整形棱镜8和光隔离器9后，通过光纤耦合-1 10-1进入单模保偏光纤10-2，再由光纤耦合器-2 10-3输出，经过准直镜11和半波-1 12后，由828nm反射镜13反射，通过腔镜M3 3-3进入谐振腔。环形腔光参量振荡器3采用了四镜环形腔结构，其中腔镜M4 3-4紧贴压电陶瓷3-5。由环形腔光参量振荡器3出射的激光同时包含828nm成分和 532nm成分，其中532nm由R828T532介质膜双色镜18透射泄漏，828nm由 18反射，经过828nm反射镜21进行发射。同时，通过光束取样镜20取样少部分发射激光至谐振腔光电探测器23获得腔长调制信号，再通过谐振腔控制电子单元24和LV放大器25获得锁腔信号反馈至压电陶瓷3-5进行谐振腔腔长锁定。
所述激光雷达发射机系统在差分吸收激光雷达工作的时候，需要输出在 828nm附近的窄带λon激光和宽带λoff激光之间以5-25Hz的速度快速切换。为此，采用光纤输出的半导体激光器作为注入种子，通过快速光开关选通方式注入 OPO的谐振腔。在种子注入的同时，压电陶瓷3-5扫描OPO腔长，并以谐振腔光电探测器23监测OPO输出端泄漏出的种子光信号，当扫描到OPO谐振波长与注入种子光波长的整数倍恰好一致时，种子信号会处于极小值的位置，记录此位置。待整个扫描周期完成后，谐振腔控制电子单元24产生控制电压，经过 LV放大器25放大后驱动压电陶瓷3-5将OPO腔长调至所记录的极小值获得点并保持在此位置，即可使得在泵浦脉冲到来时OPO能振荡输出与注入种子光频率一致的单频脉冲激光。整个流程时序如图5所示。为提高系统的长时间稳定性和可重复性，每一发脉冲在输出前均经历扫描—保持的过程。
激光雷达发射机系统具体结构如下：
1.所述激光雷达发射机系统使用种子注入的Nd:YAG激光器的二倍频 532nm激光脉冲作为泵浦源，如法国Quantel公司YG980系列产品搭配 1064nm连续波种子激光器(SI-2000)、美国Continuum公司PowerliteTM系列搭配1064nm连续波种子激光器(SI-2000)、德国InnoLas Laser GmbH公司 SpitLight系列搭配1064nm连续波种子激光器、美国Spectra-Physics公司 Quanta-Ray系列搭配1064nm连续波种子激光器(Model 6350)，以及中国镭宝光电技术有限公司单纵模Nd:YAG激光器；1064nm的种子源可以是连续波掺镱分布反馈半导体激光器，也可以是单块Nd:YVO4晶体的连续波激光器。
2.所述激光雷达发射机系统使用KTP晶体作为非线性工作物质。KTP被切割成8mm×8mm×12mm，晶体表面镀宽频带减反射膜，xy平面内晶体沿x 轴被切割θ＝62°，满足Ⅱ类临界相位匹配。晶体被精确定位使泵浦束穿过晶体中心。泵浦光缩束镜组17被用以调整进入谐振腔的泵浦光束直径。
3.所述激光雷达发射机系统谐振腔3包括四块平面镜，腔镜M2 3-2对信号光有高的反射率和对泵浦光高的透过率，反射角45°；腔镜M3 3-3对信号光有70％反射率，对泵浦光有高的透过率，入射角45°；腔镜M4 3-4对于828nm 信号光和532nm泵浦光都有高的反射率；腔镜M1 3-1对于泵浦光有高的透过率，对于信号光有高的反射率。所有腔镜对于空闲光都有较高透过率，空闲光由谐振腔各个腔镜泄露出去，只有信号光被正反馈而在谐振腔内振荡。
4.所述激光雷达发射机系统引入由DFB激光器或者ECDL激光器或者 DBR激光器产生的828nm种子光作为光参量振荡器谐振腔注入种子；使用充有水汽多通道吸收池与外腔调谐半导体激光器形成PDH(Pound–Drever–Hall) 反馈伺服系统，使种子激光的波长位于水汽吸收线的中心波长。
Claims (3)
1.一种828nm大气水汽探测差分吸收激光雷达发射机系统，包括单频泵浦激光器(1)，主动稳频的828nm种子激光器(2)和环形腔光参量振荡器(3)，其特征在于：
由所述的单频泵浦激光器(1)发射的532nm泵浦激光脉冲经过环形腔光参量振荡器(3)转换为828nm的探测激光脉冲，转换过程需要将主动稳频的828nm种子激光器(2)产生的种子激光注入环形腔光参量振荡器(3)。
2.如权利要求1所述的828nm大气水汽探测差分吸收激光雷达发射机系统，其特征在于，所述的主动稳频模块的828nm种子激光器(2)包括828nm DFB激光器(2-1)，95：5光纤分路器(2-2)，水汽吸收池(2-3)，气体池光电探测器(2-4)，种子光控制电子单元(2-5)；由828nm DFB激光器(2-1)产生的种子激光经过95：5光纤分路器(2-2)分为两路，95％送往环形腔光参量振荡器(3)，5％送往水汽吸收池(2-3)；水汽吸收后由气体池光电探测器(2-4)获得吸收信号，种子光控制电子单元(2-5)根据吸收信号对828nm DFB激光器(2-1)进行反馈控制。
3.如权利要求1所述的828nm大气水汽探测差分吸收激光雷达发射机系统，其特征在于所述的环形腔光参量振荡器(3)包括腔镜M1(3-1)，腔镜M2(3-2)，腔镜M3(3-3)，腔镜M4(3-4)，压电陶瓷(3-5)，KTP晶体1(3-6)，KTP晶体2(3-7)；由单频泵浦激光器(1)发射的532nm泵浦激光脉冲由腔镜M2(3-2)进入环形谐振腔，环形腔光参量振荡器(3)产生的828nm激光脉冲经由腔镜M3(3-3)离开谐振腔，所述的环形腔光参量振荡器(3)同时使用了谐振腔稳定模块，包括谐振腔光电探测器(23)，谐振腔控制电子单元(24)和LV放大器(25)，谐振腔光电探测器(23)获得的腔长调制信号通过谐振腔控制电子单元(24)的计算与LV放大器(25)的放大后反馈至压电陶瓷(3-5)。
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