专利名称：一种2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种2 ym全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，特别是一种使用波 片与分光棱镜相互胶合结构的人眼安全的2 u m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统。
背景技术：
现有的2 u m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统的结构设计中，都会用到诸如 分光镜、会聚透镜和波片等光学元器件和一些复杂的调整机构，目前，各国雷达设计师都在 追求2 y m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统的小型化，但是，他们最终设计的接收光学 系统包括很多分立的光学元器件，例如二分之一波片、四分之一波片、强激光偏振分光棱 镜和聚焦透镜等，如图1所示，这不仅给调节带来很多困难，而且由于需要的调整机构过多 占的空间大，同时相对成本高。不能满足目前车载、机载和星载2 u m全光纤相干激光多普 勒测风雷达系统小型化的要求。总之，现有技术方案都不能满足2 u m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统小型 化、可操作性强、调节简单易行、稳定性好、相对成本低的要求。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种使用波片与分光棱镜相互胶合的2 ym全光纤相 干激光多普勒测风雷达系统。一方面，本发明提供一种2 u m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在 于该2 y m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统包括2 u m强激光偏振分光棱镜、2 y m四 分之一波片和2 u m 二分之一波片，还包括扩束器和光学天线，且2 y m波片与2 y m强激光 偏振分光棱镜相互胶合。所述2 ym强激光偏振分光棱镜尺寸为12. 7X12. 7X12. 7mm，有 效通光口径为10X10X10mm ；2 y m四分之一波片和2 y m 二分之一波片的口径为12. 7mm, 有效通光口径也为10mm ；2 ym强激光偏振分光棱镜有两个直角棱镜组成，为了提高强脉冲 激光的损伤阈值，其中两块直角棱镜的斜面上镀了电介质多层偏光膜，在入射面和出射面 镀了防反射多层膜和增加激光投射效率的高损伤阈值增透膜，其多层偏光膜、防反射多层 膜和增透膜的损伤阈值都在0. 5J/cm2左右，且棱镜几乎不发生光轴偏移和重影现象；2 y m 四分之一波片和2 P m二分之一波片胶合在2 P m强激光偏振分光棱镜相邻的两个入射表面 上，且四分之一波片和二分之一波片光轴都与2 ym强激光偏振分光棱镜光轴成45°。同 时，2 y m四分之一波片和2 u m 二分之一波片与2 u m强激光偏振分光棱镜的胶合面都镀有 多层高损伤阈值的增透电介质膜，其损伤阈值在0. 5J/cm2左右。所述扩束器放大倍数为2. 5 倍，所述光学天线采用收发合置离轴卡塞格伦结构，有效发射口径为150mm，放大倍数为15 倍。当2 y m线偏振激光光源发射的S偏振光经2. 5倍扩束器扩束后垂直入射到2 u m强激 光偏振分光棱镜上时，此时2 y m强激光偏振分光棱镜对于S偏振光全透，透射的S偏振光 经2 y m四分之一波片后变成圆偏振光，圆偏振光通过15倍光学天线射向大气，经大气气溶 胶粒子后向散射的圆偏振光又经过光学天线和2 u m四分之一波片变成P偏振光后垂直入射到2 u m强激光偏振分光棱镜上，2 u m强激光偏振分光棱镜对P偏振光全反，反射的P偏 振光经2 y m 二分之一波片后又变成了与2 y m激光器发射激光偏振态相同的S偏振光。上述2 y m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统中，所述2 y m强激光偏振分光棱 镜由透明材料制成，所述透明材料包括K9玻璃、融石英、CaF2、MgF2、ZnSe、锗片和硅片。上述2 y m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统中，所述2 y m强激光偏振分光棱 镜电介质多层偏光膜含有增加S偏振光透射效率且具有高损伤阈值的增透膜。上述2 y m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统中，所述2 y m强激光偏振分光棱 镜电介质多层偏光膜含有增加P偏振光反射效率且具有高损伤阈值的全反射膜。上述2 y m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统中，所述二分之一波片表面镀有 增加偏振光透射效率且具有高损伤阈值的增透膜和保护膜。上述2 i! m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统中，所述四分之一波片表面镀有 增加偏振光透射效率且具有高损伤阈值的增透膜和保护膜。本发明将波片与分光棱镜相互胶合的结构巧妙地引入到了 2 ym全光纤相干激光 多普勒测风雷达系统中，提出了一种利用波片与分光棱镜相互胶合的结构实现2 y m全光 纤相干激光多普勒测风雷达系统接收系统小型化的思想。采取上述技术方案，成功地解决了 2 u m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统接 收系统小型化的问题，此外本发明还具有可操作性强、调节简单易行、稳定性好等特点，且 兼备相对成本低的优势，在2 y m全光纤相干激光测风雷达领域具有很高的实用价值。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中图1是一般的2 U m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统结构示意图；图2是一般的2 u m全光纤相干激光测风雷达接收光学系统中偏振分光棱镜和波 片的位置结构示意图；图3是强激光偏振分光棱镜的透射率曲线；图4是四分之一波片与强激光偏振分光棱镜相互胶合结构示意图；图5是四分之一波片与强激光偏振分光棱镜相互胶合的2 u m全光纤相干激光多 普勒测风雷达系统结构示意图；图6是二分之一波片和四分之一波片与强激光偏振分光棱镜相互胶合结构示意 图；图7是使用二分之一波片和四分之一波片与强激光偏振分光棱镜相互胶合的 2 u m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统结构示意图。
具体实施例方式在2 ym全光纤相干激光测风雷达接收光学系统中，偏振分光棱镜和波片的位置 一般如图2所示。其中，每个光学器件都固定在精细的多维调整架上，在保证一定工作距离 的情况下进行共轴调节。一般雷达系统中使用的都属于强激光偏振分光棱镜，其损伤阈值 都比较高，同时对于2 y m S偏振光透射率和对于P偏振光的反射率都极高，如图3所示。 可以满足2 ym相干激光测风雷达接收光学系统分光的要求。为了节省空间和降低成本，在2 ym相干激光测风雷达接收光学系统中可以把波片同强激光偏振分光棱镜沿特定方向胶 合在一起使用，既可以保持强激光偏振分光棱镜自身的性质，同时又可以发挥波片的作用， 可以实现2 y m相干激光测风雷达接收光学系统的小型化。图4是四分之一波片与强激光偏振分光棱镜相互胶合结构示意图。包括预扩束器 401、2 y m强激光立方体偏振分光棱镜402、四分之一波片403、二分之一波片404、光学天 线405和大气406。所述2 iim强激光偏振分光棱镜尺寸为12. 7 X 12. 7 X 12. 7mm，有效通光 口径为10X10X10mm ；2 y m四分之一波片和2 y m 二分之一波片的口径为12. 7mm，有效通 光口径也为10mm ；2 ym强激光偏振分光棱镜有两个直角棱镜组成，为了提高强脉冲激光的 损伤阈值，其中两块直角棱镜的斜面上镀了电介质多层偏光膜，在入射面和出射面镀了防 反射多层膜和高损伤阈值的增透膜，其多层偏光膜、防反射多层膜和增透膜的损伤阈值都 在0. 5J/cm2左右，且棱镜几乎不发生光轴偏移和重影现象；2 y m四分之一波片胶合在2 u m 强激光偏振分光棱镜入射面上，且四分之一波片光轴与2 u m强激光偏振分光棱镜光轴成 45°。同时，2pm四分之一波片与2pm强激光偏振分光棱镜的胶合面都镀有多层高损伤阈 值的增透电介质膜，其损伤阈值在0. 5J/cm2左右。其中，2 y m强激光立方体偏振分光棱镜402的分光部分表面207镀有特殊的偏振 膜，此偏振膜的特点是针对特定S偏振光全反，与其特定S偏振方向正交的P偏振光则全 透，2 y m强激光立方体偏振分光棱镜由高透过率材料制成，所述的高透过率材料包括K9玻 璃、融石英、CaF2、MgF2、ZnSe、锗片和硅片等，其结构通常为平板型和立方体型，可以根据具 体需要任意选型。当入射S偏振光经预扩束器扩束后入射到分光面407时，调节偏振分光 镜的分光面位置，使其绝大部分光透射，透射的S偏振光经过四分之一波片403变成圆偏振 光，此圆偏振光通过光学天线后进入大气406，经过大气206后向散射的圆偏振光经相同的 四分之一波片403，由于其偏振方向发生了变化，变成了 P偏振光，当入射到分光面207上时 反射膜起主导作用，绝大部分光被反射，反射线偏振光正入射到二分之一波片404进行偏 振态校正后又变成S偏振光。图5是四分之一波片与强激光偏振分光棱镜相互胶合的2 u m全光纤相干激光多 普勒测风雷达系统结构示意图。包括2 y m连续线偏振激光种子源501、2 y m线偏振脉冲激 光放大器502、在线式光纤分束器503及504、2 ii m分光镜505、预扩束器506、2 ii m强激光立 方体分光棱镜507、四分之一波片508、45°平面反射镜509及510、2 y m离轴卡塞格伦光学 天线系统511、二分之一波片512、2 y m单模光纤准直器513及514、在线式光纤合束器515 及516、2 ii m监测探测器517和2 ii m平衡式光电探测器518。在收发合置的离轴卡塞格伦光学天线调试完毕之后，2 u m连续线偏振种子激光器 501发射的激光通过在线式光纤分束器608后分成两束，其中一束种子光作为本振光，本振 光被在线式光纤分束器504分成两束；另一束种子光移频后注入到2 u m线偏振脉冲激光放 大器502中，经放大器放大的线偏振激光通过2 u m分光镜505分成两束，反射光被2 y m单 模准直器514耦合进入光纤与一束本振光通过在线式光纤合束器515合束后注入到2 u m 监测探测器517的光敏面上，用来监测种子源激光器频率的稳定性；而透射光被预扩束器 506扩束，扩束的线偏振光经2 u m强激光立方体偏振分光棱镜507和四分之一波片508后 入射到两块45°平面反射镜509和510上，之后进入光学天线511，最终射向大气；被大气 后向散射的光又依次经光学天线511、45°平面反射镜509及510、四分之一波片508后被
52 U m强激光立方体偏振分光棱镜507反射，反射光经二分之一波片512后被2 y m单模光纤 准直器513耦合进入光纤，进入光纤的线偏振激光与另一束本振光通过在线式光纤合束器 516合束后注入到2 u m平衡式探测器518光敏面上，这样可以通过示波器观察外差信号波 形，然后经后续的信号处理既可以反演出风场的相关信息。图6是二分之一波片和四分之一波片与强激光偏振分光棱镜相互胶合结构示 意图。图6和图4的基本相同，差别在于将二分之一波片和四分之一波片与2 ym强 激光立方体偏振分光棱镜胶合在了一起使用，所述2 ym强激光偏振分光棱镜尺寸为 12. 7X12. 7X12. 7mm，有效通光口径为10X10X10mm ；2 ii m四分之一波片和2 ii m 二分之 一波片的口径为12. 7mm，有效通光口径也为10mm ;2 y m强激光偏振分光棱镜有两个直角棱 镜组成，为了提高强脉冲激光的损伤阈值，其中两块直角棱镜的斜面上镀了电介质多层偏 光膜，在入射面和出射面镀了防反射多层膜和高损伤阈值的增透膜，其多层偏光膜、防反射 多层膜和增透膜的损伤阈值都在0. 5J/cm2左右，且棱镜几乎不发生光轴偏移和重影现象； 2 U m四分之一波片和2 P m 二分之一波片胶合在2 P m强激光偏振分光棱镜相邻的两个入射 表面上，且四分之一波片和二分之一波片光轴都与2 u m强激光偏振分光棱镜光轴成45°。 同时，2 y m四分之一波片和2 u m 二分之一波片与2 u m强激光偏振分光棱镜的胶合面都镀 有多层高损伤阈值的增透电介质膜，其损伤阈值在0. 5J/cm2左右。这样的好处是节省了很 大的调节空间，同时节省了成本。图7是使用二分之一波片和四分之一波片与强激光偏振分光棱镜相互胶合的 2 ym全光纤相干激光多普勒测风雷达系统结构示意图。图7和图5基本相同，差别在于二 分之一波片和四分之一波片与强激光偏振分光棱镜胶合装置用到了 2 ym全光纤相干激光 测风雷达接收光学系统中，对于2 ym强激光立方体偏振分光棱镜和波片的装调也比较容 易，同图5相比较更加容易实现系统小型化的要求。最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的2pm全光纤相干 激光多普勒测风雷达系统的结构和技术方案，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了 详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换， 都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于该2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统包括2μm强激光偏振分光棱镜、2μm四分之一波片和2μm二分之一波片，还包括扩束器和光学天线，且2μm波片与2μm强激光偏振分光棱镜相互胶合。所述2μm强激光偏振分光棱镜尺寸为12.7×12.7×12.7mm，有效通光口径为10×10×10mm；2μm四分之一波片和2μm二分之一波片的口径为12.7mm，有效通光口径也为10mm；2μm强激光偏振分光棱镜有两个直角棱镜组成，为了提高强脉冲激光的损伤阈值，其中两块直角棱镜的斜面上镀了电介质多层偏光膜，在入射面和出射面镀了防反射多层膜和增加激光投射效率的高损伤阈值增透膜，其多层偏光膜、防反射多层膜和增透膜的损伤阈值都在0.5J/cm2左右，且棱镜几乎不发生光轴偏移和重影现象；2μm四分之一波片和2μm二分之一波片胶合在2μm强激光偏振分光棱镜相邻的两个入射表面上，且四分之一波片和二分之一波片光轴都与2μm强激光偏振分光棱镜光轴成45°。同时，2μm四分之一波片和2μm二分之一波片与2μm强激光偏振分光棱镜的胶合面都镀有多层高损伤阈值的增透电介质膜，其损伤阈值在0.5J/cm2左右。所述扩束器放大倍数为2.5倍，所述光学天线采用收发合置离轴卡塞格伦结构，有效发射口径为150mm，放大倍数为15倍。当2μm线偏振激光光源发射的S偏振光经2.5倍扩束器扩束后垂直入射到2μm强激光偏振分光棱镜上时，此时2μm强激光偏振分光棱镜对于S偏振光全透，透射的S偏振光经2μm四分之一波片后变成圆偏振光，圆偏振光通过15倍光学天线射向大气，经大气气溶胶粒子后向散射的圆偏振光又经过光学天线和2μm四分之一波片变成P偏振光后垂直入射到2μm强激光偏振分光棱镜上，2μm强激光偏振分光棱镜对P偏振光全反，反射的P偏振光经2μm二分之一波片后又变成了与2μm激光器发射激光偏振态相同的S偏振光。
2.根据权利要求1所述的2ym全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于，所 述2 y m强激光偏振分光棱镜由透明材料制成。
3.根据权利要求2所述的2u m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于，所 述透明材料包括K9玻璃、融石英、CaF2、MgF2、ZnSe、锗片和硅片。
4.根据权利要求2所述的2ym全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于，所 述2 y m强激光偏振分光棱镜电介质多层偏光膜含有增加S偏振光透射效率且具有高损伤 阈值的增透膜。
5.根据权利要求2所述的2u m全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于，所 述2 y m强激光偏振分光棱镜电介质多层偏光膜含有增加P偏振光反射效率且具有高损伤 阈值的全反射膜。
6.根据权利要求1所述的2ym全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于，所 述二分之一波片表面镀有增加偏振光透射效率且具有高损伤阈值的增透膜和保护膜。
7.根据权利要求1所述的2ym全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其特征在于，所 述四分之一波片表面镀有增加偏振光透射效率且具有高损伤阈值的增透膜和保护膜。
全文摘要
一种2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统，其系统由扩束器、2μm强激光立方体偏振分光棱镜、2μm四分之一波片、2μm二分之一波片、光学天线构成。本发明将波片与分光棱镜胶合的装置巧妙地引入到了2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统中，提出了一种利用波片与分光棱镜胶合的装置实现2μm相干激光多普勒测风雷达系统接收系统小型化的思想。采取上述技术方案，成功地解决了2μm全光纤相干激光多普勒测风雷达系统接收系统小型化的问题，此外本发明还具有可操作性强、调节简单易行、稳定性好等特点，且兼备相对成本低的优势，在2μm全光纤相干激光测风雷达领域具有很高的实用价值。
文档编号G01S17/95GK101825711SQ20091021740
公开日2010年9月8日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者李彦超, 王春晖 申请人:哈尔滨工业大学