激光雷达多波长相近的波分复用探测系统的制作方法

本专利涉及一种激光雷达接收系统，具体涉及一种激光雷达多波长相近的波分复用探测系统。

背景技术：

激光雷达发射机时间上先后发射相近波长的激光脉冲，因为在时间上是分开的，所以接收机可以共用滤波片和探测器，探测电路先后输出信号即可。但是有时发射机会同时发射波长相近的激光脉冲(2个，3个，或4种波长)，接收机通过望远镜把这些波长的激光回波都收集起来了，但是因为波长相距很近，甚至不能用常规的分色片或光栅将其有效地分开。比如Raman激光雷达探测大气对流层温度，用532nm激光激发的纯转动Raman散射回波，需要获得其中高阶531.14nm，低阶528.76nm成分的强度，但它们波长相差只有2.38nm，而且是同时被激发的；再比如用354.7nm激光的激发纯转动Raman散射回波，需要获得其中高阶转动Raman354.07nm，低阶转动353.25nm成分的强度，但它们波长相差不到1.0nm，而且是同时被激发的；差分吸收激光雷达的探测波长与参考波长往往相差也不到1.0nm，两种光脉冲轮流发射没有问题，但是如果同时发射，其回波的分离、探测就必须采取必要措施加以解决。所以本专利解决的正是这类问题。

技术实现要素：

本专利的目的是提供一种可以同时探测包含多个波长的激光雷达回波的波分复用单元技术，使得多波长激光脉冲不必由激光发射机先后顺次轮流发射。

为达到上述目的，本专利由透镜，偏振分束器-格兰偏振棱镜，五个四分之一波片，四个会聚透镜，四个探测器，四个F-P标准具，反射镜，四片环境光滤波片共同组成，将回波中的中心波长分别为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的光组分分配给相应的探测器分别检测。

格兰偏振棱镜反射水平(平行于纸面，以下表述同此)偏振光，可透过垂直(垂直于纸面，以下表述同此)偏振光。

线偏振光以偏振方向与四分之一波片光轴成45°入射波片，透射光束变成圆偏振光，如果圆偏振光受到反射而再次从背面入射四分之一波片之后，又还原成线偏振光，但偏振方向与第一次入射时垂直。

当平行光束入射F-P标准具，光束中与其中心波长相符的光组分透过F-P标准具，偏离中心波长的光组分会被F-P标准具反射出去。

一种激光雷达多波长相近的波分复用探测系统包括，透镜1，第一偏振分束器-格兰偏振棱镜2和第二偏振分束器-格兰偏振棱镜3，第一四分之一波片6、第二四分之一波片7、第三四分之一波片8、第四四分之一波片9、第五四分之一波片4，第一会聚透镜24、第二会聚透镜25、第三会聚透镜18、第四会聚透镜19，第一探测器23、第二探测器22、第三探测器20、第四探测器21，第一F-P标准具12、第二F-P标准具13、第三F-P标准具10、第四F-P标准具11，反射镜5，第一环境光滤波片15、第二环境光滤波片14、第三环境光滤波片17、第四环境光滤波片16，其中：

从望远镜焦点处发出的激光雷达回波，经过透镜1折射后变成平行光束，它包含四个波长相近的组分，即中心波长分别为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的组分，下面我们以λ_i,i＝1,2,3,4代表中心波长在λ_i处的光组分；平行光束第一次经过第一格兰偏振棱镜2，其中的水平偏振光被第一格兰偏振棱镜2反射，进入第一四分之一波片6并且变成圆偏振光，然后进入第一F-P标准具12，圆偏振光中的λ₁成分穿透第一F-P标准具12，到达第一会聚透镜24，最终被第一探测器23检测到；而圆偏振光束中λ₂、λ₃、λ₄组分会被第一F-P标准具12反射，再次透过第一四分之一波片6，圆偏振光变为线偏振光，偏振方向旋转90°成为垂直偏振光，从而透过第一格兰偏振棱镜2，到达第三四分之一波片8，再变成圆偏振光，这里圆偏振光遭遇第三F-P标准具10，圆偏振光束中的λ₄光组分穿透第三F-P标准具10，从而经过第三环境光滤波片17、第三会聚透镜18后被第三探测器20所检测；圆偏振光束中的λ₂、λ₃组分光则被第三F-P标准具10反射，再次透过第三四分之一波片8变成水平偏振光，被第一格兰偏振棱镜2反射，并射向第二格兰偏振棱镜3，再被第二格兰偏振棱镜3反射，穿过第二四分之一波片7后变成圆偏振光，这里的圆偏振光遭遇第二F-P标准具13，其中的λ₂组分光全部透过第二F-P标准具13，经过第二环境光滤波片14和第二会聚透镜25，最终被第二探测器22检测到；而第二四分之一波片7后的圆偏振光中的λ₃组分光被第二F-P标准具13反射回来，再次经过第二四分之一波片7，变成垂直偏振光，因而它变得可以穿过第二格兰偏振棱镜3，到达并又穿过第四四分之一波片9，变成圆偏振光，该圆偏振光中的λ₃组分光透过第四F-P标准具11，经过第四环境光滤波片16和第四会聚透镜19，而被第四探测器21检测到；最初从透镜1通过的平行光束中的垂直偏振方向光组分透过第一格兰棱镜2到达第二格兰棱镜3；它会透过第二格兰偏振棱镜3，到达第五四分之一波片4，穿过第五四分之一波片4之后变成圆偏振光，此圆偏振光被反射镜5反射回来，再次穿过四分之一波片4，还原成线偏振光，但是偏振方向旋转90°变成水平偏振态，此水平偏振光束被第二格兰偏振棱镜3反射，经过第四四分之一波片9后变成圆偏振光，圆偏振光中的λ₃光组分第四透过F-P标准具11，经过第四环境光滤波片16和第四会聚透镜19，最终被第四探测器21检测；圆偏振光中的剩余部分包含λ₁、λ₂、λ₄三种组分光，被第四F-P标准具11沿原路反射回来，再次从背面透过第四四分之一波片9，圆偏振光又还原成线偏振光，偏振方向旋转90°变成垂直偏振方向，垂直偏振光透过第二格兰偏振棱镜3，到达对面的第二四分之一波片7，变成圆偏振光，圆偏振光入射第二F-P标准具13，圆偏振光中λ₂组分光全部透过第二F-P标准具13，剩余部分圆偏振光包含λ₁、λ₄光组分，被第二F-P标准具13反射回来，再次从背面透过第二四分之一波片7变成线偏振光，偏振方向旋转90°变成水平偏振光，遭遇第二格兰偏振棱镜3之后，被第二格兰偏振棱镜3反射，向第一格兰偏振棱镜2方向行进，遇到第一格兰偏振棱镜2后被它反射，然后穿过第三四分之一波片8，变成圆偏振光，入射到第三F-P标准具10，圆偏振光中λ₄光组分完全透过第三F-P标准具10，经过第三环境光滤波片17和第三会聚透镜18后，被第三探测器20检测到。剩余部分是λ₁光组分的圆偏振光，被第三F-P标准具10反射回来，从背面在此穿过第三四分之一波片8，变成线偏振光，且偏振方向旋转90°变成垂直偏振光，然后再次遭遇到第一格兰偏振棱镜2，透过第一格兰偏振棱镜2，然后穿过第一四分之一波片6，变成圆偏振光，此圆偏振光入射第一F-P标准具12，圆偏振光中的λ₁光组分透过第一F-P标准具12，再经过第一环境光滤波片15和第一会聚透镜24，最终被第一探测器23检测到。

所述的四个F-P标准具10、11、12、13的F-P标准具反射谱的半高全宽FWHM大于被探测光波长的波长范围且小于最小波长间隔Δλ_min＝|λ_i-λ_j|i,j＝1,2,3,4，F-P标准具的自由光谱范围FSR理论上最好大于最大波长间隔Δλ_max＝|λ_i-λ_j|i,j＝1,2,3,4，实际中只要能保证一个F-P标准具只透过一种光组分而反射其他光组分即可。

所述的第一四分之一波片6、第二四分之一波片7、第三四分之一波片8和第四四分之一波片9四个四分之一波片的快轴与它们各自入射线偏振光的偏振方向成45°角，四个四分之一波片匹配的波长分别为入射光中心波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄。

所述的发射镜5可以用光栅来替代。

所述的波分复用探测系统当不需要对λ₁、λ₂、λ₃、λ₄四个波长的一个或多个组分光进行探测时，只需将系统中相应波长的F-P标准具改为反射镜片即可。

本专利的优点在于：系统能够区分激光雷达回波中混合的不超过四个的相近波长的各光组分的能量，探测效率高，不依赖于各波长入射光的偏振态组成，可用于其他需要分离多个相近波长并探测各波长光能量的场合。

附图说明

图1是本专利的组成结构图。图中标号：1-透镜、2-第一格兰偏振棱镜、3-第二格兰偏振棱镜、4-第五四分之一波片、5-反射镜、6-第一四分之一波片、7-第二四分之一波片、8-第三四分之一波片、9-第四四分之一波片、10-第三F-P标准具、11-第四F-P标准具、12-第一F-P标准具、13-第二F-P标准具、14-第二环境光滤波片、15-第一环境光滤波片、16-第四环境光滤波片、17-第三环境光滤波片、18-第三会聚透镜、19-第四会聚透镜、20-第三探测器、21-第四探测器、22-第二探测器、23-第一探测器。

图2是用到的四个F-P标准具的一段反射谱与四个入射光组分关系示意图。

图3是某水汽探测差分吸收激光雷达中第一F-P标准具与第三F-P标准具反射谱与回波中心波长为λ_on、λ_off的光组分关系示意图。

具体实施方式

四个入射光波长组分都有一定的波长范围，四个F-P标准具的反射谱是尖锐的周期性“凹槽”，具体为了实现分别探测各波长能量的目标，需要保证所有入射光波长的波长范围小于F-P标准具反射谱的半高全宽FWHM，且四种入射光的中心波长分别为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄，最小波长间隔Δλ_min＝|λ_i-λ_j|i,j＝1,2,3,4，必须大于F-P标准具反射谱的FWHM，理论上最大波长间隔Δλ_max＝|λ_i-λ_j|i,j＝1,2,3,4应小于所用F-P标准具的自由光谱范围FSR，实际中这一点并不必要，只要能保证每个F-P标准具只能透过其对应的一种波长光组分而反射其他波长光组分即可。

四个F-P标准具的腔镜反射率和间距应在满足上述条件的情况下保证腔镜反射率参数一致，而腔镜间距都需要略微调节以使反射谱中的“凹槽”中心稍微错开并分别落在四个入射光中心波长位置处，如图2所示，这样中心波长落在单一F-P标准具反射谱“凹槽”内的光便能透过此腔而其它中心波长没有落在反射谱“凹槽”中的光便会被腔反射。

四个四分之一波片的快轴与它们各自入射线偏振光的偏振方向成45°角，而其匹配波长为入射光中心波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的平均值。

探测器不做具体要求，不同入射光波长和入射光能量情况下视情况选取适合的单元探测器即可，若入射到探测器的光强过大会使探测器饱和则可以在会聚透镜后接衰减器解决。

透镜1和四个会聚透镜做准直用，使透镜1的焦点落在入射点光源处，也是前级接收回波望远镜的焦点位置，如经过光纤则光纤出口位置落在透镜1焦点处；四个探测器的位置在各自会聚透镜的焦点处，透镜焦距与入射光波长相关，需要根据入射波长的平均值选择像差尽量小的透镜。

从望远镜焦点处发出的激光雷达回波，经过透镜1折射后变成平行光束，它包含四个波长相近的组分，即中心波长分别为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的组分，下面我们以λ_i代表中心波长在λ_i处的光组分。平行光束第一次经过第一格兰偏振棱镜2，其中的水平偏振光被第一格兰偏振棱镜2反射，进入第一四分之一波片6并且变成圆偏振光，然后进入第一F-P标准具12，圆偏振光中的λ₁成分穿透第一F-P标准具12，到达第一会聚透镜24，最终被第一探测器23检测到；而圆偏振光束中其他成分(中心波长为λ₂、λ₃、λ₄的组分)会被第一F-P标准具12反射，再次透过第一四分之一波片6，圆偏振光变为线偏振光，偏振方向旋转90°成为垂直偏振光，从而透过第一格兰偏振棱镜2，到达第三四分之一波片8，再变成圆偏振光，这里圆偏振光遭遇第三F-P标准具10，圆偏振光束中的λ₄光组分穿透第三F-P标准具10，从而经过第三环境光滤波片17、第三会聚透镜18后被第三探测器20所检测；圆偏振光束中的λ₂、λ₃光组分则被第三F-P标准具10反射，再次透过第三四分之一波片8变成水平偏振光，被第一格兰偏振棱镜2反射，并射向第二格兰偏振棱镜3，再被第二格兰偏振棱镜3反射，穿过第二四分之一波片7后变成圆偏振光，这里的圆偏振光遭遇第二F-P标准具13，其中的λ₂光组分全部透过第二F-P标准具13，经过第二环境光滤波片14和第二会聚透镜25，最终被第二探测器22检测到；而第二四分之一波片7后的圆偏振光中的λ₃组分被第二F-P标准具13反射回来，再次经过第二四分之一波片7，变成垂直偏振光，因而它变得可以穿过第二格兰偏振棱镜3，到达并又穿过第四四分之一波片9，变成圆偏振光，该圆偏振光中的λ₃光组分透过第四F-P标准具11，经过第四环境光滤波片16和第四会聚透镜19，而被第四探测器21检测到；

上面讨论了进入第一格兰棱镜2之前的水平偏振方向光组分的传输，下面介绍其中的垂直偏振态光组分的传输。平行光束中的垂直偏振方向光分量透过第一格兰棱镜2到达第二格兰棱镜3；它会透过第二格兰偏振棱镜3，到达第五四分之一波片4，穿过第五四分之一波片4之后变成圆偏振光，此圆偏振光被反射镜5反射回来，再次穿过四分之一波片4，还原成线偏振光，但是偏振方向旋转90°变成水平偏振态。此水平偏振光束被第二格兰偏振棱镜3反射，经过第四四分之一波片9后变成圆偏振光，圆偏振光中的λ₃组分第四透过F-P标准具11，经过第四环境光滤波片16和第四会聚透镜19，最终被第四探测器21检测；圆偏振光中的剩余部分包含λ₁、λ₂、λ₄三种光组分，被第四F-P标准具11沿原路反射回来，再次从背面透过第四四分之一波片9，圆偏振光又还原成线偏振光，偏振方向旋转90°变成垂直偏振方向，垂直偏振光透过第二格兰偏振棱镜3，到达对面的第二四分之一波片7，变成圆偏振光，圆偏振光入射第二F-P标准具13，圆偏振光中λ₂组分全部透过第二F-P标准具13，剩余部分圆偏振光包含λ₁、λ₄光组分，被第二F-P标准具13反射回来，再次从背面透过第二四分之一波片7变成线偏振光，偏振方向旋转90°变成水平偏振光，遭遇第二格兰偏振棱镜3之后，被第二格兰偏振棱镜3反射，向第一格兰偏振棱镜2方向行进，遇到第一格兰偏振棱镜2后被它反射，然后穿过第三四分之一波片8，变成圆偏振光，入射到第三F-P标准具10，圆偏振光中λ₄组分完全透过第三F-P标准具10，经过第三环境光滤波片17和第三会聚透镜18后，被第三探测器20检测到。剩余部分是λ₁光组分的圆偏振光，被第三F-P标准具10反射回来，从背面在此穿过第三四分之一波片8，变成线偏振光，且偏振方向旋转90°变成垂直偏振光，然后再次遭遇到第一格兰偏振棱镜2，透过第一格兰偏振棱镜2，然后穿过第一四分之一波片6，变成圆偏振光，此圆偏振光入射第一F-P标准具12，圆偏振光中的λ₁光组分透过第一F-P标准具12，再经过第一环境光滤波片15和第一会聚透镜24，最终被第一探测器23检测到。

因此回波光中波长不同的光组分，不论偏振方向如何，即使波长相近，都可以采用上述方法分开探测。

以某差分吸收水汽探测激光雷达为例，要分辨两种波长相近的回波的能量，发射激光λ_on＝935.776nm，λ_off＝935.906nm，其中发射激光带宽在80MHz以内，回波受瑞利布里渊散射影响，频带得到展宽达约2GHz。发射光波长相差0.13nm，理论上最好选择自由光谱范围大于130GHz的F-P标准具，实际中可以灵活选择，例如100GHz的标准具，而其精细度为45，反射谱半高全宽FWHM即为2.22GHz，满足回波波长范围小于F-P标准具FWHM，这对普通F-P标准具厂家来说是可以提供的，将第一F-P标准具厚度和第三F-P标准具厚度微调到其反射谱与入射λ_on、λ_off频率相对关系如图3所示，第二F-P标准具和第四F-P标准具用平面反射镜代替；由于激光波长特殊其中的四分之一波片需要向厂家定制；环境光滤波片采用Andover公司的1nm波长范围的935nm带通滤波片010FC37-25；会聚透镜采用Thorlabs公司消色差透镜AC254-030-B；探测器采用量子效率较高的APD器件。用以上元件就可以在第一F-P标准具和第三F-P标准具上分别探测到展宽了的中心波长在λ_on、λ_off回波信号强度。