TW201337430A - 雷射波長轉換元件、光學雷達設備之雷射波長控制構造及其方法 - Google Patents

雷射波長轉換元件、光學雷達設備之雷射波長控制構造及其方法 Download PDF

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Abstract

本發明係揭露一種雷射波長轉換元件、光學雷達設備之雷射波長控制構造及其方法，主要係為解決習知技藝之雷射波長控制設備成本昂貴且無法快速對複數汙染物質定性偵測之問題，本發明光學雷達設備之雷射波長控制構造係將第一雷射波長轉換元件設置於雷射光束之發射路徑上，且至少一第二雷射波長轉換元件可取代第一雷射波長轉換元件被定位於雷射光束之發射路徑上，藉變換不同之雷射波長轉換元件至雷射光束之發射路徑上控制雷射光束之波長，即可快速對複數汙染物定性偵測。本發明光學雷達設備之雷射波長控制構造及其方法可提供氣膠偵測或科學研究用途。

Description

雷射波長轉換元件、光學雷達設備之雷射波長控制構造及其方法
　　本發明係有關於一種雷射波長轉換元件、光學雷達設備之雷射波長控制構造及其方法，特別是一種藉可快速變換之波長轉換元件將雷射光束轉換成特定波長以針對特定氣膠進行定性偵測之光學雷達設備之雷射波長控制構造及其方法。
　　氣膠係指空氣中的懸浮微粒，泛指所有可以懸浮在氣體中的膠體，包含固態、液態、混合固液氣態的物質，以及有毒和無毒物等。自然界產生的氣膠有塵灰、火山灰、海鹽懸浮微粒（sea salt aerosol）等；人為的則有工廠燃燒化石燃料產生的微粒、交通工具排放的廢氣微粒、燒紙錢或燒香產生的黑煙及煤煙等。
　　申請人前曾提出一中華民國發明專利「雷射遙測污染物之構造與方法」之申請，該案之公開號為201040514號，其主要係藉由整合發射模組、接收模組、濾鏡模組、光電倍增管、定位模組及分析模組之組合與連動，應用雷射光束遙測污染物之原理，以待測空間為散射體產生背向散射光訊號反射後，經拉曼位移波數之回饋作為比較之基礎，以取得污染物監控之相關特性資料與對應關係數據，以進行多點及多氣體模式之偵測監控者。
　　上述專利申請案雖然以雷射光束遙測空氣中之污染物，但由於偵測不同的污染物需要施以不同波長的雷射光束，該專利案僅揭露了以雷射發射器發出特定波長之雷射光束的技術，但對於如何改變雷射光束之波長及如何使該改變雷射光束之波長的操作更為快速，該專利案並未提出解決方案。因此，當所欲偵測的污染物不只一種時，則「快速變化雷射光束波長」之技術更顯得相對重要。
　　有鑑於此，本發明之目的就是在提供一種雷射波長轉換元件、光學雷達設備之雷射波長控制構造及其方法，以使光學雷達設備可以快速變換其雷射波長。
　　故本發明提供一種雷射波長轉換元件，係包括有一容納件，其係軸向延伸且內部具有一容置空間，該容置空間係充填波長轉換原子或分子，又該容納件係具有兩端；至少二光學透鏡，其分別設置於該容納件軸向延伸之兩端，供雷射光束通過該雷射波長轉換元件。
　　上述波長轉換原子或分子係為氣體或液體之形式。
　　上述氣體係選自氫氣、氦氣、氘氣、氮氣、氖氣、氬氣、氧氣、二氧化碳、甲烷其中之一種或兩種以上之混合物。
　　上述容納件係為圓管狀。
　　上述容納件內部係設有一內表面，該內表面係為全反射面。
　　上述容納件之長度係為光學透鏡焦距之偶數倍。
　　本發明亦為一種光學雷達設備之雷射波長控制構造，係包括有一發射模組，用以發射一雷射光束至一待測空間，並形成一發射路徑；一光學收集單元，接收自該待測空間反射之一光訊號；一分析單元，係連接至該光學收集單元，分析該光訊號；其主要特徵係在於：一第一雷射波長轉換元件被設置於該發射路徑上，且至少一第二雷射波長轉換元件可取代該第一雷射波長轉換元件被定位於該發射路徑上，藉由變換不同之第一雷射波長轉換元件或第二雷射波長轉換元件於該發射路徑上，以控制該雷射光束之波長。
　　上述第二波長轉換元件為複數，且該第一雷射波長轉換元件、該等第二雷射波長轉換元件及該發射路徑係彼此平行排列，該第一雷射波長轉換元件及該等第二雷射波長轉換元件其中之任何一個可被定位於該發射路徑上。
　　上述第二波長轉換元件為複數，且該第一雷射波長轉換元件及該等第二雷射波長轉換元件沿該發射路徑呈環狀排列，該第一雷射波長轉換元件及該等第二雷射波長轉換元件其中之任何一個可被定位於該發射路徑上。
　　上述雷射光束係用於偵測二氧化硫、氮氧化合物、氣膠其中之一種或兩種以上之混合物。
　　上述光學收集單元係為望遠鏡。
　　上述光學收集單元與分析單元之間，係依序連結有一光圈、一透鏡、一濾鏡模組及一光電倍增管。
　　上述分析單元係包含有一類比/數位訊號轉換器及一電腦。
　　本發明亦可為一種光學雷達設備之雷射波長控制方法，係包括以下步驟：使光學雷達偵測設備之雷射光束經一發射路徑指向一待測目標；於該發射路徑上設置一第一波長轉換元件，使雷射光束通過第一波長轉換元件而改變波長，且至少一第二雷射波長轉換元件可取代第一雷射波長轉換元件被定位於雷射光束之發射路徑上；藉變換不同之波長轉換元件至雷射光束之發射路徑上，控制雷射光束之波長。
　　上述第二波長轉換元件為複數，且該第一雷射波長轉換元件、該等第二雷射波長轉換元件及該發射路徑彼此平行排列，該第一雷射波長轉換元件及該等第二雷射波長轉換元件其中之任何一個可被定位於該發射路徑上。
　　上述第二波長轉換元件為複數，且該第一雷射波長轉換元件、該等第二雷射波長轉換元件沿該發射路徑呈環狀排列，且該第一雷射波長轉換元件及該等第二雷射波長轉換元件其中之任何一個可被定位於該發射路徑上。
　　上述雷射光束係用於偵測二氧化硫、氮氧化合物、氣膠其中之一種或兩種以上之混合物。
　　本發明具有下列之優點：
　　1.本發明之雷射波長轉換元件，其容納件內部充填波長轉換原子或分子，當雷射光束通過時，波長轉換原子或分子產生能階躍遷，藉此改變雷射光束波長。
　　2.本發明之雷射波長轉換元件，其容納件之內表面係為全反射面，藉此減少雷射功率的損失。
　　3.本發明光學雷達設備之雷射波長控制構造，其包含之複數雷射波長轉換元件與雷射光束之發射路徑彼此平行排列，藉此可透過變換不同之雷射波長轉換元件控制雷射光束之波長。
　　4.本發明之光學雷達設備之雷射波長控制構造，其包含之複數雷射波長轉換元件沿雷射光束之發射路徑上呈環狀排列，藉此可透過變換不同之雷射波長轉換元件控制雷射光束之波長。
　　5.本發明之光學雷達設備之雷射波長控制構造，其藉由發射不同波長之雷射光束，可以進行氣膠的定性分析，可以應用於汙染物偵測，例如空氣中的污染氣體偵測、海面浮油厚度及分佈測量環境保護之相關檢測、大氣結構或動力性質、特殊物質探勘等。
　　本發明之雷射波長轉換元件包含一容納件及至少二光學透鏡；容納件朝軸向具有一延伸長度，且內部具有容置空間，容置空間係充填波長轉換原子或分子，又該容納件係具有相對之兩端；二光學透鏡分別設置於容納件之兩端，與容納件圍成所述之密閉容置空間，光學透鏡係供雷射光束通過雷射波長轉換元件。當雷射光束經由容納件一端之透鏡進入雷射波長轉換元件，雷射波長轉換元件內的波長轉換原子或分子會吸收雷射光束的能量進行原子或分子震動、轉動或能階躍遷，改變由容納件一端之光學透鏡進入之雷射波長並以另一波長的光子重新發射，所發射出的光束經由容納件另一端之光學透鏡，離開雷射波長轉換元件，此時離開雷射波長轉換元件之雷射光束與進入雷射波長轉換元件之雷射光束具有相異波長。
　　請參閱第一圖，其係為本發明之雷射波長轉換元件(1)之實施例剖視圖。圖中，雷射波長轉換元件(1)包含容納件(11)、第一光學透鏡(12)及第二光學透鏡(13)；容納件(11)朝軸向具有一延伸長度，且內部具有一容置空間，容納件(11)內部係設有一內表面(15)，該內表面(15)係為全反射面；第一光學透鏡(12)設置於容納件(11)之前端，第二光學透鏡(13)設置於容納件(11)之末端，第一光學透鏡(12)、第二光學透鏡(13)及容納件(11)圍成一密閉之容置空間，此容置空間內包含波長轉換原子或分子(14)。當第一雷射光束(16)經由容納件(11)前端之第一光學透鏡(12)進入雷射波長轉換元件(1)，雷射波長轉換元件(1)內的波長轉換原子或分子(14)會吸收第一雷射光束(16)的能量進行原子或分子震動、轉動或能階躍遷，改變由第一光學透鏡(12)進入之雷射波長並以另一波長的光子重新發射，所發射出的光束經由容納件(11)末端之第二光學透鏡(13)離開雷射波長轉換元件(1)，此時離開雷射波長轉換元件(1)之第二雷射光束(17)與第一雷射光束(16)具有相異波長。
　　其中，波長轉換原子或分子(14)可選自氫氣、氦氣、氘氣、氮氣、氖氣、氬氣、氧氣、二氧化碳、甲烷其中之一種或兩種以上之混合物或以有機染料等液體之形式實施。容納件(11)以圓管狀為佳，圓管狀之容納件(11)之內表面(15)能平均承受內部充填物之壓力，較其他形狀之容納件有較佳的穩定性及安全性，且容納件(11)之內表面(15)以全反射面材質為佳，全反射面材質之內表面(15)能降低雷射功率損耗。
　　其中，容納件(11)之長度為第一光學透鏡(12)或第二光學透鏡(13)之焦距之偶數倍為佳，藉此第一雷射光束(16)經過容納件(11)前端之第一光學透鏡(12)及容納件(11)內表面(15)之折射後，第二雷射光束(17)能經由容納件(11)末端之第二光學透鏡(13)平行地離開雷射波長轉換元件(1)。
　　在不變換第一雷射光束(16)的前提下，本發明之雷射波長轉換元件可藉由填充口(18)更換容納件(11)內部容置空間之波長轉換原子或分子(14)，利用不同之波長轉換原子或分子控制第二雷射光束(17)之波長。此外，在不變換第一雷射光束(16)的前提下，預先備置多組雷射波長轉換元件(1)，使每一雷射波長轉換元件(1)之容納件(11)內部分別充填不同的波長轉換原子或分子(14)，則藉由在雷射光束之發射路徑上更換該雷射波長轉換元件(1)，能達快速變換雷射光束波長之目的。
　　本發明之光學雷達設備之雷射波長控制構造包含發射模組、光學收集單元及分析單元，其特徵在於將第一雷射波長轉換元件設置於雷射光束之發射路徑上，且至少一第二雷射波長轉換元件可取代第一雷射波長轉換元件被定位於雷射光束之發射路徑上，藉變換不同之雷射波長轉換元件至該雷射光束之發射路徑上控制該雷射光束之波長；發射模組用於發射雷射光束至待測空間，光學收集單元用於接收自待測空間反射之光訊號，分析單元係連接至該光學收集單元，用於分析所述之光訊號。
　　其中，雷射光束較佳為用於偵測二氧化硫、氮氧化合物、氣膠其中之一種或兩種以上之混合物。
　　請參閱第二圖，其係為本發明之光學雷達設備之雷射波長控制構造之第一實施例示意圖。圖中，光學雷達設備之雷射波長控制構造包含發射模組(21)、光學收集單元(22)、第一波長轉換元件(23)、第二波長轉換元件(24)、第三波長轉換元件(25)、第四波長轉換元件(26)、滑座(27)及滑軌(29)。其中，光學收集單元(22)係為一望遠鏡，該發射模組(21)沿一發射路徑(28)發射雷射光束，雷射光束經由位於發射路徑(28)上之第一波長轉換元件(23)改變波長後發射至一待測空間(A)，反射的光訊號先由光學收集單元(22)收集後，依序經由一光圈(31)、一透鏡(32)、一濾鏡模組(33)過濾出所需的光訊號，然後由一光電倍增管(34)予以放大後，再傳輸至一分析單元之類比/數位訊號轉換器(35)及電腦(36)，利用該類比/數位訊號轉換器(35)將光訊號轉為電流之脈衝訊號，再由電腦(36)分析所轉換之電流脈衝訊號，進而分析氣體之特性參數；其中，上述第一波長轉換元件(23)、第二波長轉換元件(24)、第三波長轉換元件(25)、第四波長轉換元件(26)分別充填有不同的波長轉換原子或分子，其彼此平行併列，且其軸向係平行於該發射模組(21)之發射路徑(28)，該第一波長轉換元件(23)、第二波長轉換元件(24)、第三波長轉換元件(25)及第四波長轉換元件(26)均設置於該滑座(27)上〔如第三圖所示〕，而該滑座(27)又可於該滑軌(29)上滑動，藉以控制第一波長轉換元件(23)、第二波長轉換元件(24)、第三波長轉換元件(25)或第四波長轉換元件(26)中之任何一個移動至該發射路徑(28)上，藉以變換不同之雷射波長轉換元件，以改變控制雷射光束之波長。在此實施例中，係利用不同之波長轉換原子或分子控制雷射光束之波長進而達到對待測空間(A)物質進行定性分析的目的。
　　請參閱第四圖，其係為本發明之光學雷達設備之雷射波長控制構造之第二實施例示意圖。圖中，光學雷達設備之雷射波長控制構造包含發射模組(21A)、光學收集單元(22A)、第一波長轉換元件(23A)、第二波長轉換元件(24A)、第三波長轉換元件(25A)、第四波長轉換元件(26A)、轉盤(27A)及驅動單元(29A)。發射模組(21A)沿發射路徑(28A)發射雷射光束，雷射光束經由位於發射路徑(28A)上之第一波長轉換元件(23A)改變波長後發射至一待測空間，反射的光訊號先由光學收集單元(22A)收集後再過濾出所需的光訊號以進行分析；其中第一波長轉換元件(23A)、第二波長轉換元件(24A)、第三波長轉換元件(25A)、第四波長轉換元件(26A)係平行於發射路徑(28A)而彼此呈環狀排列，並利用該驅動單元(29A)帶動該轉盤(27A)旋轉，使該第一波長轉換元件(23A)、第二波長轉換元件(24A)、第三波長轉換元件(25A)或第四波長轉換元件(26A)中之任何一個均可被定位於發射路徑(28A)上，藉由變換不同之雷射波長轉換元件可控制雷射光束之波長。
　　請參閱第五圖，其係為本發明之光學雷達設備之雷射波長控制構造之方塊圖。圖中，發射模組(41)發射固定波長雷射光束(51)至雷射波長轉換元件(42)，固定波長雷射光束(51)經波長轉換後成為特定波長雷射光束(52)，並從雷射波長轉換元件(42)發射至待測物(43)，待測物(43)反射一光訊號(53)至光學收集單元(44)，光學收集單元(44)收集光訊號(53)後，以濾鏡模組(45)濾除無用之雜訊，由於訊號強度可能不足且為類比訊號，因此以光電倍增管(46)做訊號放大，並以類比/數位訊號轉換器(47)將訊號轉換為數位訊號，最後由電腦(48)進行待測物分析。
　　請參閱第六圖，其係為本發明之光學雷達設備之雷射波長控制方法之流程圖。圖中，光學雷達設備之雷射波長控制方法包含以下步驟：
　　步驟一：使光學雷達偵測設備之雷射光束經一發射路徑指向待測目標；
　　步驟二：於發射路徑上設置第一波長轉換元件，使雷射光束通過第一波長轉換元件而改變波長，且至少一第二雷射波長轉換元件可取代第一雷射波長轉換元件被定位於雷射光束之發射路徑上；
　　步驟三：藉變換不同之波長轉換元件至雷射光束之發射路徑上，控制雷射光束之波長。
　　其中，較佳為第二波長轉換元件為複數，且第一雷射波長轉換元件、複數第二雷射波長轉換元件及雷射光束之發射路徑彼此平行排列，第一雷射波長轉換元件及複數第二雷射波長轉換元件中之任何一個可被定位於雷射光束之發射路徑上。
　　其中，較佳為第二波長轉換元件為複數，且第一雷射波長轉換元件及複數第二雷射波長轉換元件沿雷射光束之發射路徑呈環狀排列，第一雷射波長轉換元件及複數第二雷射波長轉換元件中之任何一個可被定位於雷射光束之發射路徑上。
　　其中，雷射光束較佳為用於偵測二氧化硫、氮氧化合物、氣膠其中之一種或兩種以上之混合物。
　　以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
(1)．．．雷射波長轉換元件
(11)．．．容納件
(12)．．．第一光學透鏡
(13)．．．第二光學透鏡
(14)．．．波長轉換原子或分子
(15)．．．內表面
(16)．．．第一雷射光束
(17)．．．第二雷射光束
(18)．．．填充口
(21)．．．發射模組
(22)．．．光學收集單元
(23)．．．第一波長轉換元件
(24)．．．第二波長轉換元件
(25)．．．第三波長轉換元件
(26)．．．第四波長轉換元件
(27)．．．滑座
(28)．．．發射路徑
(29)．．．滑軌
(31)．．．光圈
(32)．．．透鏡
(33)．．．濾鏡模組
(34)．．．光電倍增管
(35)．．．類比/數位訊號轉換器
(36)．．．電腦
(41)．．．發射模組
(42)．．．雷射波長轉換元件
(43)．．．待測物
(44)．．．光學收集單元
(45)．．．濾鏡模組
(46)．．．光電倍增管
(47)．．．類比/數位訊號轉換器
(48)．．．電腦
(51)．．．固定波長雷射光束
(52)．．．特定波長雷射光束
(53)．．．光訊號
(21A)．．．發射模組
(22A)．．．光學收集單元
(23A)．．．第一波長轉換元件
(24A)．．．第二波長轉換元件
(25A)．．．第三波長轉換元件
(26A)．．．第四波長轉換元件
(27A)．．．轉盤
(28A)．．．發射路徑
(29A)．．．驅動單元
(A)．．．待測空間
　　第一圖係為本發明雷射波長轉換元件之剖視圖。
　　第二圖係為本發明之光學雷達設備之雷射波長控制構造之第一實施例示意圖。
　　第三圖係為本發明之滑座於該滑軌上滑動之示意圖。
　　第四圖係為本發明之光學雷達設備之雷射波長控制構造之第二實施例示意圖。
　　第五圖係為本發明之光學雷達設備之雷射波長控制構造之方塊圖。
　　第六圖係為本發明之光學雷達設備之雷射波長控制方法之流程圖。
(1)．．．雷射波長轉換元件
(11)．．．容納件
(12)．．．第一光學透鏡
(13)．．．第二光學透鏡
(14)．．．波長轉換原子或分子
(15)．．．內表面
(16)．．．第一雷射光束
(17)．．．第二雷射光束
(18)．．．填充口

Claims (17)

  1. 一種雷射波長轉換元件，其包含：
    　　一容納件，其係軸向延伸且內部具有一容置空間，該容置空間係充填波長轉換原子或分子，又該容納件係具有兩端；
    　　至少二光學透鏡，其分別設置於該容納件軸向延伸之兩端，供雷射光束通過該雷射波長轉換元件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述雷射波長轉換元件，其中，該波長轉換原子或分子係為氣體或液體之形式。
  3. 如申請專利範圍第2項所述雷射波長轉換元件，其中，該氣體係選自氫氣、氦氣、氘氣、氮氣、氖氣、氬氣、氧氣、二氧化碳、甲烷其中之一種或兩種以上之混合物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述雷射波長轉換元件，其中，該容納件係為圓管狀。
  5. 如申請專利範圍第1項所述雷射波長轉換元件，其中，該容納件內部係設有一內表面，該內表面係為全反射面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述雷射波長轉換元件，其中，該容納件之長度係為光學透鏡焦距之偶數倍。
  7. 一種光學雷達設備之雷射波長控制構造，其包含：
    　　一發射模組，用以發射一雷射光束至一待測空間，並形成一發射路徑；
    　　一光學收集單元，接收自該待測空間反射之一光訊號；
    　　一分析單元，係連接至該光學收集單元，分析該光訊號；
    　　其特徵係在於：一第一雷射波長轉換元件被設置於該發射路徑上，且至少一第二雷射波長轉換元件可取代該第一雷射波長轉換元件被定位於該發射路徑上，藉由變換不同之第一雷射波長轉換元件或第二雷射波長轉換元件於該發射路徑上，以控制該雷射光束之波長。
  8. 如申請專利範圍第7項所述光學雷達設備之雷射波長控制構造，其中，該第二波長轉換元件為複數，且該第一雷射波長轉換元件、該等第二雷射波長轉換元件及該發射路徑係彼此平行排列，該第一雷射波長轉換元件及該等第二雷射波長轉換元件其中之任何一個可被定位於該發射路徑上。
  9. 如申請專利範圍第7項所述光學雷達設備之雷射波長控制構造，其中，該第二波長轉換元件為複數，且該第一雷射波長轉換元件及該等第二雷射波長轉換元件沿該發射路徑呈環狀排列，該第一雷射波長轉換元件及該等第二雷射波長轉換元件其中之任何一個可被定位於該發射路徑上。
  10. 如申請專利範圍第7項所述光學雷達設備之雷射波長控制構造，其中，該雷射光束係用於偵測二氧化硫、氮氧化合物、氣膠其中之一種或兩種以上之混合物。
  11. 如申請專利範圍第7項所述光學雷達設備之雷射波長控制構造，其中，該光學收集單元係為望遠鏡。
  12. 如申請專利範圍第7項所述光學雷達設備之雷射波長控制構造，其中，該光學收集單元與分析單元之間，係依序連結有一光圈、一透鏡、一濾鏡模組及一光電倍增管。
  13. 如申請專利範圍第7項所述光學雷達設備之雷射波長控制構造，其中，該分析單元係包含有一類比/數位訊號轉換器及一電腦。
  14. 一種光學雷達設備之雷射波長控制方法，其包含以下步驟：
    　　使光學雷達偵測設備之雷射光束經一發射路徑指向一待測目標；
    　　於該發射路徑上設置一第一波長轉換元件，使雷射光束通過第一波長轉換元件而改變波長，且至少一第二雷射波長轉換元件可取代第一雷射波長轉換元件被定位於雷射光束之發射路徑上；
    　　藉變換不同之波長轉換元件至雷射光束之發射路徑上，控制雷射光束之波長。
  15. 如申請專利範圍第14項所述光學雷達設備之雷射波長控制方法，其中，該第二波長轉換元件為複數，且該第一雷射波長轉換元件、該等第二雷射波長轉換元件及該發射路徑彼此平行排列，該第一雷射波長轉換元件及該等第二雷射波長轉換元件其中之任何一個可被定位於該發射路徑上。
  16. 如申請專利範圍第14項所述光學雷達設備之雷射波長控制方法，其中，該第二波長轉換元件為複數，且該第一雷射波長轉換元件、該等第二雷射波長轉換元件沿該發射路徑呈環狀排列，且該第一雷射波長轉換元件及該等第二雷射波長轉換元件其中之任何一個可被定位於該發射路徑上。
  17. 如申請專利範圍第14項所述光學雷達設備之雷射波長控制方法，其中，該雷射光束係用於偵測二氧化硫、氮氧化合物、氣膠其中之一種或兩種以上之混合物。
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