专利名称：散射式云粒子探测器光学系统的制作方法
技术领域：
本发明设计了一种基于单模光纤耦合输出半导体激光器、散射多角度接收的云来立子探测 器。使用单模光纤耦合输出半导体激光器和方孔光阑研制云粒子探测器，通过使用方孔切掉 高斯光束的边缘部分，仅保留高斯光束的顶部，利用4f光学系统将方孔成像在测量敏感区域 中心位置，在测量敏感区域中心位置产生近似平顶光束，解决照明不均匀问题，使用方孑L光 阑产生正方形光束，使粒子穿过照亮区域的时间相同，电脉冲的时间宽度相同，易于后续的 电子学处理。发明的云粒子探测器具有两个散射能量接收系统，从前向和侧后向两个角度接 收粒子散射，根据两个角度输出电信号的比值，可以推断云粒子的相态。
背景技术：
人工增雨是人工影响天气的最重要的活动之一，具有很高的社会效益和经济效益。为使 云中水分更多地转化为降水，从而达到增雨的目的，人工增雨活动需要于适当时机在云体的 适当部位进行催化作业。但是，由于云体的复杂多变等因素，单凭地面上的一些观泖j手段所 得到的信息很难准确的确定云中的可播区，这对催化决策的准确性造成很大影响，因此如何 准确的了解云系的结构是人工影响天气科学问题的焦点。利用飞机直接飞入云系内部，进fi1 有效的观测，是近代云物理学一直采用的研究方法。上世纪70年代以来，美国研制了一套自 动化的机载云粒子测量系统(PMS)，目前该套仪器的在自动化测量和探测精度的方面均有了 很大的提高，其中散射式云粒子探头是该套仪器中的一个组成部分，其测量范围为0.5-47um。
目前，最先进的散射式云粒子测量系统功能工作原理如下，系统使用658nm的连续、激光 作为照明光源，照明光束截面是200X180um，形成的测量敏感区域大小为2mmX 180um。云 粒子探头安装在飞机外部，且激光传输方向垂直于飞机飞行的方向，飞机飞行时可以认为丰立 子垂直于光束方向穿过激光束，粒子穿过过程中散射激光能量，直射光被贴在收集透镜上的 全反镜反出光路，用以激光器能量的监测，散射光收集镜收集4-12。之间的散射能量，收集来 的光被分光镜分为33/66%两部分(探测通道和质量控制通道)，分别使用光电探测器探测。 其中质量控制通道其面有小孔光阑，当粒子距离测量中心位置较远时，根据几何成f象的^l点 则成像的位置发生变化(前后发生变化)，而使部分的光被光阑挡住，因此出现质量控制通道 能量小于探测通道的情况，距离焦点越远则质量控制通道探测得到的能量越少，而探测通道 能量基本不发生变化，则根据两者之间的关系，可以舍弃距离焦点较远的粒子。在电子学上， 探测通道和质量控制通道出来的电信号首先被放大，然后通过比较器进行质量控制，同时使用多通道信号分析仪对探测通道的信号进行分析，比较器输出为Q或5V的数字信号送给 DSP，作为接收和拒收的判断依据，如果是高电平则将分析仪输出的信号通过RS232串口送 给计算机，若为低电平，则系统不记录该粒子。
在长时间的使用与维护中发现，对于上述散射式云粒子测量系统就光学部分而言主要存 在以下几个方面的问题。(1)系统使用自由空间输出的半导体激光器，在光的传输过程中存 在快轴、慢轴之分，经过一段距离后光斑为椭圆形状，不但激光模式在X轴、Y轴不同，而且 不利于后续光学系统的设计、加工、处理；(2)系统中的200X180um光束是由光阑形成，
由于光阑小孔很小，必须考虑波动光学中的衍射，因此，激光到达光学吸收体后，其大小远 不止200umX180um这个尺寸，因为粒子散射能量本身很小，必须高度抑制直射光，增大反射 镜的面积可以增加直射光的抑制程度，但同时也损耗了散射光，而且是0。附近的散射光，使 散射光受到很大的衰减；(3)直射光全反镜由于不能使用调整架(怕对散射光有遮挡)而直 接胶合在散射光收集透镜上；(4)接收系统中没有窄带滤光片，而云粒子探测一般是在白天 进行，很多杂散光进入接收系统，影响系统的信噪比；(5)该系统只能得到云粒子的大小信 息，不能获取云粒子的相态。现代光学技术的发展，为改进该系统提供了必要的条件，通过 采用现代化的光电器件、结合严密的几何光学波动光学设计，应该能够得到优于该系统的云 粒子探测系统。
发明内容
本发明解决的技术问题通过使用单模光纤耦合输出半导体激光器、非球面准直镜、方 孔光阑和4f变换系统，既产生了需要的激光的均匀照明，又解决了光束切割过程中的衍射问 题，提高了散射光接收的纯度；发明的云粒子探测器具有两个接板角度，根据两个角度输出 电信号的比值，可以推断云粒子的相态。 本发明的技术解决方案如下
一种散射式云粒子探测器光学系统包括发射光学单元、前向散射探测单元和侧后向散
射探测单元；
所述发射光学单元包括 一台单模光纤耦合输出激光器(1)、非球面准直镜(2)、方孔 光阑(3)、 4f光学系统；所述4f光学系统包括傅立叶变换透镜(4)、反傅立叶变换透镜(6) 和第一全反镜(5);
所述前向散射探测单元包括前向散射光收集透镜(9)、第一窄带滤光片(10)、第二全 反镜(11)、第一光电探测器(12)、会聚透镜(13)、分光棱镜(14)、第二光电探测器(15)、
小孔光阑(16)、第三光电探测器(17);
所述侧后向散射探测单元包括第二窄带滤光片(19)、侧后向散射收集透镜(20)、第四光电探测器(21);
所述光纤激光器(1)光纤末端输出的光使用非球面镜(2)进行准直，准直后使用方孔 光阑(3)去切割，经4f光学系统(4)将方孔光阑(3)成像到测量区域中间即第一窗口玻 璃(7)、第二窗口玻璃(8)之间中心位置；在该中间位置光束特性与方孔光阑(3)处光束 特性相同，衍射现象不明显，因此，在以该点为中心的一个小范围内，形成均匀照明，同时 由于粒子经过光束的时间相同，产生电信号的时域特性相同，消除了边缘效应，易于后续处 理。
系统在两个方向上接收云粒子的散射，分别收集前向散射和侧后向散射，根据两个方向 上光电探测器的输出可以推断待测粒子的相态。
散射式云粒子探测系统光路，包括以下步骤
(1) 单模光纤耦合输出激光器的激光从光纤末端输出；
(2) 非球面准直镜将其光纤末端的输出变为平行光，其光斑尺寸为2mm;
(3) 使用300umX300um的方孔光阑去切割整形后的激光束，仅适用高斯光束中间相对均 匀的部分；
(4) 使用4f光学系统将方孔光阑上的方孔的成像到测量敏感区域(第一窗口玻璃与第二窗 口玻璃之间中心位置处)；
(5) 所有发射部分元件通过窗口玻璃与外界空气隔离；
(6) 所有前向散射接收器件通过窗口玻璃与外界空气隔离；
(7) 前向散射透镜收集13。以内的光信号，包括直射信号和散射信号；
(8) 利用窄带滤光片抑制收集的杂散光，增加信噪比；
(9) 使用45。全反镜将散射光全反，该全反镜中间开孔，孔的大小使直射光完全通过。
(10) 散射光由会聚透镜进行聚焦；
(11) 分光棱镜将聚焦后的散射光分为3: l两部分，分光棱镜反3透h
(12) 分光棱镜反射部分对应质量控制通道，探测器前面放一小孔用于质量控制，透射部分 直接由光电探测器探测；
(13) 侧后向散射部分光学元件通过窗口玻璃与外界大气隔离；
(14) 窄带滤光片用于抑制杂散光引起的噪声；
(15) 收集透镜将侧后向散射聚焦到探测器，用于侧后向散射能量的探测； 本发明中激光器为光纤耦合输出激光器为连续激光器，波长为685nm，输出功率为35mW。
所说非球面准直镜的工作口径为2mm，准直后激光的发散角小于lmrad。所说方孔光阑方孔大小为300umX300um。 4f光学系统包括傅立叶变换透镜、全反镜、反傅立叶变换透镜。傅 立叶变换透镜对经过方孔光阑的光进行傅立叶变换，全反镜将光的传输方向改变90度，但不 改变光的性质，反傅立叶变换透镜对入射的光进行反傅立叶变换，最终将方孔的像呈现在测 量敏感区域中间。
所述的第一、第二、第三窗口玻璃均为石英平板，分别用来密封发射光学系统、前向散 射接收系统、侧后向接收系统。
所述的散射光接收透镜分别用来接收前向散射和侧后向散射，接收透镜所成的接收立体 角分别为4-13°、 128.5-141.5°。所述的窄带滤光片中心透过波长为685nm，带宽为10nm，带 宽内透过率为99%。所述的全反镜(11)为685nm45。全反，中心有一方孔，可以让激光的直 射光直接通过，照射在探测器上，用于监测激光器能量的抖动。
所述的会聚透镜(13)将粒子散射光信号会聚到探测器，会聚后相差很小，接近衍射极 限。所述的分光棱镜将散射光信号分为3: l两部分。所述的小孔光阑(16)用于探测区域的 控制，其直径为200um。所述的光电探测器(12)、 (15)、 (17)、 (21)分别用于激光器功率 监视、前向散射探测、前向散射质量控制通道探测、侧后向散射探测。
本发明与现有技术相比具有的优点在于
本发明针对云粒子探测器研制过程中光束控制困难以及仪器使用过程中的边缘效应两个 问题，通过使用单模光纤耦合输出半导体激光器、方孔光阑和4f光学系统研制云粒子探测器， 并通过多角度收集散射光，可以获取云粒子相态信息。半导体激光器的自由输出光斑一般为 椭圆形，椭圆形光斑不易控制，因此，将该椭圆光斑汇聚进入单模光纤，光纤末端输出的光 斑为高斯光束，是最为理想的激光传输模式；边缘效应是云滴粒子探测器的主要误差来源之 一，通过使用方孔光阑切掉高斯光束的边缘部分，仅保留高斯光束的顶部，使用4f光学系统 减小衍射的影响，产生近似平顶光束，消除边缘效应；发明的云粒子探测器具有两个散射能 量接收系统，从前向和侧后向两个角度接收粒子散射，根据两个角度输出电信号的比值，可 以推断云粒子的相态。
(1) 使用单模光纤耦合输出激光器，输出的激光模式好，光斑为圆形光斑易于处理；使用 非球面镜对光纤输出光进行准直，准直后的激光发散角小且光束直径小；
(2) 利用方孔光阑去切高斯光束，利用4f光学系统消除衍射对系统的影响；
(3) 在系统中全反镜中心开孔，让直射光直接穿过，用以监测激光器能量，减小了光学加 工的难度。(4) 在散射接收过程中使用窄带滤光片，抑制仪器白天工作时的杂散光引起的噪声。
(5) 使用多方向散射的接收，不但接收前向散射，而且接收侧后向散射，利用前向散射可 以获取粒子的尺寸，利用两方向散射的比值可以获取粒子的相态信息。
图1为散射式云粒子探测器的光路示意图
图中l-单模光纤耦合输出激光器；2-非球面准直镜；3-方孔光阑；4-傅立叶变换透镜； 5-第一全反镜；6-反傅立叶变换透镜；7-第一窗口玻璃；8-第二窗口玻璃；9-前向散射光收集 透镜；10-第一窄带滤光片；ll-第二全反镜；12-第一光电探测器；13-会聚透镜；14-分光棱镜； 15-第二光电探测器；16-小孔光阑；17-第三光电探测器；18-第三窗口玻璃；19-第二窄带滤 光片；20-侧后向散射收集镜；21-第四光电探测器。
具体实施例方式
如图1所示，本发为明基于新颖光路的散射式云粒子探测器，它使用单模光纤耦合输出
半导体激光器作为照明光源，使用非球面准直镜将激光准直；利用方孔光阑和4f变换系统，
既产生了需要的激光的均匀照明，又解决了光束切割过程中的衍射问题，提高了散射光接收
的纯度；接收散射时，使用窄带滤光片，提高了仪器白天工作时的信噪比；发明的云粒子探 测器具有两个接收角度，不但可以获取云粒子的尺寸，而且可以根据两个角度散射强度的比 值，可以推断云粒子的相态。
该系统由一台单模光纤耦合输出激光器l、非球面准直镜2、方孔光阑3、傅立叶变换透 镜4、第一全反镜5、反傅立叶变换透镜6、第一窗口玻璃7、第二窗口玻璃8、前向散射光 收集透镜9、第一窄带滤光片10、第二全反镜11、第一光电探测器12、会聚透镜13、分光 棱镜14、第二光电探测器15、小孔光阑16、第三光电探测器17、第三窗口玻璃18、第二窄 带滤光片19、侧后向散射收集镜20、第四光电探测器21组成。
其中单模光纤耦合输出激光l用来产生685nm的单模连续激光，在本系统中作为照明光
源，其中非球面准直镜2用于对光纤末端输出的激光进行准直，非球面镜相对于球面镜有更
好的准直效果，准直后激光的发散角小于lmmd。其中方孔光阑3用于切割激光光束，只取
高斯光束的中间部分，产生近似的均匀的照明。傅立叶变换透镜4经过光阑切割的激光进行
傅立叶变换。第一全反镜5将变换后的光转过90。，不改变光的性质。反傅立叶变换透镜6，
对光进行反傅立叶变换，使其最终方孔的像成在探测区域的中心位置(第一窗口玻璃与第二
窗口玻璃间中心位置)。
第一窗口玻璃7用来密封发射光学系统，使其与外界大气隔离。第二窗口玻璃8用来密
8封前向接收系统，使其与外界大气隔离。前向散射光收集透镜9所成的接收立体角分别为13°。 第一窄带滤光片用来抑制进入前向接收系统的杂散光。第二全反镜11中心开孔，让直射光直 接通过，使最终进入前向散射系统的光为4-13°。光电探测器12用于系统直射光的测量，可 以用以检测激光器能量变化。会聚透镜13将粒子散射光信号会聚到探测器，会聚后相差很小， 接近衍射极限。分光棱镜14将散射光信号分为3: 1两部分，反3透1。第二光电探测器15 用来获取粒子尺寸的大小，其幅度大小与粒子尺寸相关。小孔光阑16用于探测区域的控制， 其直径为200um。第三光电探测器17用于质量控制，根据其与第二探测器的比值，可以确定 粒子是否在探测灵敏区域。
第三窗口玻璃18用于密封侧后向散射接收系统，将侧后向散射接收单元与外界空气隔离 开。第二窄带滤光片19用来抑制进入侧后向散射接收单元的杂散光，提高信噪比。侧后向散 射收集透镜20用来接收粒子的侧后向散射，接收的立体角为128.5-141.5°。第四光电探测器 21用于粒子侧后向散射的探测。
下面结合
散射式云粒子探测器的具体实现过程。
系统工作时，打开光纤耦合输出激光器1的电源，激光器出光，光纤尾部有单模激光输 出，输出激光的发散角决定于所用光纤的数值孔径。发散的激光经过非球面镜2进行准直， 非球面准直镜输出的光斑直径为2mm，激光的发三角微为lmrad，根据单模光的特性，此时 光斑的能量分布是按照高斯函数旋转对称的高斯光斑，即光斑的中间能量大，沿径向方向逐 渐减小。为获取近似的均匀照明，在光路中心位置处放置一个300umX300um的方孔光阑3。 在紧贴光阑的后表面处，透过的光束形状接近方孔，但由于小孔尺寸较小，若无其他光学透 镜，随着光的传输，衍射现象十分严重。为此，使用4f光学系统，光阑出来的光首先经过傅 立叶变换透镜4进行傅立叶变换，形成频谱面，再用一相同的傅立叶透镜6对光进行反傅立 叶变换，将小孔的像成在测量敏感区域中心位置(第一窗口玻璃与第二窗口玻璃间中心位置)， 在这个位置光斑的特性等同于光阑处的光斑特性，能够产生近似的均匀照明。穿过测量敏感 区域的粒子把激光向周围散射，散射过程遵循Mie散射理论，并由于粒子很小，可以看作点 光源。
粒子的前向散射光由散射光接收透镜9接收，并用一窄带滤光片IO滤掉进入系统的其他 波长的杂散光，其接收的立体角最大为13°，但由于在0°附近，散射光和直接入射光无法分 开，因此，滤光片后面放置一 45°全反镜11,该全反镜中间开孔，让直接入射光通过，该部 分光可以用第一光电探测器12进行探测，可以监视激光功率的变化。全反镜ll中心开孔导 致0-4°以内的散射光被损失，4-13°内的散射光进入被反射，用会聚透镜13进行会聚，会聚
光在进入探测器前被分光棱镜14分为两部分，该分光棱镜将信号光分为反透3: l两部分。透射光直接由第二光电探测器15进行探测，其输出信号幅度与粒子尺寸大小相关。反射光在 进入第三光电探测器17必须经过直径为200um的小孔光阑16。当粒子从测量区域的中心位 置通过时，此时光被聚焦的很小，能够顺利通过小孔，随着粒子进入光路的位置偏离中心位 置，成像变大，导致部分光被小孔光阑挡住，偏离中心位置处越多，被挡住的光也就越多， 导致第三光电探测17和第二光电探测器15的输出变为1: 1，此时粒子经过的路径为测量敏 感区域的最边缘。
侧后向散射与前向散射的接收原理相同，只是光轴不同，并且不再重复使用质量控制。 侧后向散射光经光学窗口 18、窄带滤光片19由散射光收集透镜20进行收集，该透镜收集光 的立体角范围为128.5-141.5°，侧后向散射光由第四光电探测器21进行探测。
根据Mie散射理论，如果粒子为液态，其折射率为1.33，当粒子尺寸一定时，其向空间 散射能量的模式是固定的，也就是说前向散射和侧后向散射的比值是固定的。实际测量时， 第二光电探测器15的输出决定了所测粒子大小，第二光电探测器15与第四光电探测器21的 比值，如果正好为理论计算的前后向散射比值，此时，粒子为液态，否则，记为固态，即冰 晶。
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权利要求
1、一种散射式云粒子探测器光学系统包括发射光学单元、前向散射探测单元和侧后向散射探测单元；所述发射光学单元包括一台单模光纤耦合输出激光器(1)、非球面准直镜(2)、方孔光阑(3)、4f光学系统；所述4f光学系统包括傅立叶变换透镜(4)、反傅立叶变换透镜(6)和第一全反镜(5)；所述前向散射探测单元包括前向散射光收集透镜(9)、第一窄带滤光片(10)、第二全反镜(11)、第一光电探测器(12)、会聚透镜(13)、分光棱镜(14)、第二光电探测器(15)、小孔光阑(16)、第三光电探测器(17)；所述侧后向散射探测单元包括第二窄带滤光片(19)、侧后向散射收集透镜(20)、第四光电探测器(21)；所述光纤激光器(1)光纤末端输出的光使用非球面准直镜(2)进行准直，准直后使用方孔光阑(3)切割，经4f光学系统(4)将方孔光阑(3)成像到测量区域中间即第一窗口玻璃(7)、第二窗口玻璃(8)之间中心位置。系统在两个方向上接收云粒子的散射，分别收集前向散射和侧后向散射，根据两个方向上光电探测器的输出推断待测粒子的相态。
2、 根据权利要求1所述的散射式云粒子探测器光学系统，其中，单模光纤耦合输出激光 器(1)为连续激光器，波长为685nm，输出功率为35mW。
3、 根据权利要求1所述的散射式云粒子探测器光学系统，其中，非球面准直镜(2)的 工作口径为2mm，准直后激光的发散角小于lmrad。
4、 根据权利要求1所述的散射式云粒子探测器光学系统，其中，方孔光阑(3)方孔大 小为300umX300um。
5、 根据权利要求1所述的散射式云粒子探测器光学系统，其中，系统还设有第一窗口玻 璃(7)、第二窗口玻璃(8)、第三窗口玻璃(18)，分别用来密封发射光学单元、前向散射探 测单元和侧后向探测单元。
6、 根据权利要求1所述的散射式云粒子探测器光学系统，其中，前向散射光收集透镜(9) 所成的接收立体角为4-13。，侧后向散射光收集透镜(20)所成的接收立体角为128.5-141.5°。
7、 根据权利要求1所述的散射式云粒子探测器光学系统，其中，第一窄带滤光片(10) 和第二窄带滤光片(19)的中心透过波长为685nm，带宽为10nm，带宽内透过率为99%。
8、 根据权利要求1所述的散射式云粒子探测器光学系统，其中，全反镜(11)为685nm45°全反，中心有一方孔，能够让激光的直射光直接通过，照射在探测器(12)上，用于监测 激光器能量的抖动。
9、根据权利要求1所述的散射式云粒子探测器光学系统，其中，会聚透镜(13)纟各禾立子 散射光信号会聚到分光棱镜(14)，分光棱镜(14)将散射光信号分为3: 1两部分，分送给 探测器第二光电探测器(15)和第三光电探测器(17)。
全文摘要
本发明公开一种基于单模光纤耦合输出半导体激光器、散射多角度接收的散射式云粒子探测器光学系统。本发明的散射式云粒子探测器光学系统包括发射光学单元、前向散射探测单元和侧后向散射探测单元，它通过使用单模光纤耦合输出半导体激光器、非球面准直镜、方孔光阑和4f变换系统，既产生了需要的激光的均匀照明，又解决了光束切割过程中的衍射问题，提高了散射光接收的纯度；发明的云粒子探测器具有两个接收角度，根据两个角度输出电信号的比值，可以推断云粒子的相态。
文档编号G01N21/49GK101629903SQ20091018470
公开日2010年1月20日 申请日期2009年8月19日 优先权日2009年8月19日
发明者卜令兵, 黄兴友 申请人:南京信息工程大学