一种紫外波段准单支纯转动拉曼谱线信号探测装置的制作方法

本发明属于激光大气遥感技术领域，具体涉及一种紫外波段准单支纯转动拉曼谱线信号探测装置。

背景技术：

激光与大气气溶胶或大气分子相互作用，发生散射过程，其散射光包括弹性散射光和拉曼散射光。弹性散射光的频率与入射激光相同，拉曼散射光的频率与入射激光不同，并在入射激光频率两边呈对称分布，且靠近弹性散射光的频谱为纯转动拉曼散射谱，其中弹性散射光较低频率一侧的谱线为斯托克斯纯转动拉曼散射谱，弹性散射光较高频率一侧的谱线为反斯托克斯纯转动拉曼散射谱。纯转动拉曼散射谱强度包含温度和气溶胶消光等重要信息且容易被探测，同时纯转动拉曼激光雷达在探测过程中不需要假设大气静力学平衡，即使在湍流最多的对流层也可以正常测量，对工作环境要求相对较低，因此通过提取纯转动拉曼散射谱进行探测的激光雷达在大气遥感领域得到广泛应用。

目前国内外已经开展纯转动拉曼谱线信号探测装置的基础研究，并广泛应用于激光雷达中，该类探测装置主要包括以下几种：

1)武汉大学电子信息学院中高层大气实验室在2013年研制的DGP纯转动拉曼测温激光雷达采用双光栅多色仪系统来提取纯转动拉曼谱线。双光栅多色仪系统采用两个结构相同的光栅多色仪，带宽为0.5nm，同时提取N₂分子和O₂分子的斯托克斯和反斯托克斯纯转动拉曼低高阶散射谱线，低高阶散射谱线分别入射至两根光纤中进行传输，最终被光电探测器接收。由于该系统采用光纤光路结构，导致能量损耗大，信号传输效率降低，且光路调试复杂，对操作人员的专业技术要求很高；系统带宽为0.5nm，引入了较多的白天天空背景噪声，降低了探测信噪比，不适用于白天提取纯转动拉曼谱线。

2)德国霍恩海姆大学于2013年研制的RRL纯转动拉曼测温激光雷达采用小角度工作的干涉滤光片探测装置来提取纯转动拉曼谱线。该探测装置沿光轴方向依次摆放小角度工作的干涉滤光片，带宽为0.7nm，同时提取N₂分子和O₂分子的反斯托克斯纯转动拉曼低高阶散射谱线并通过光电探测器接收谱线信号。由于该探测装置具有较大的带宽，导致无法有效的压缩白天天空背景噪声，不适用于白天提取纯转动拉曼谱线。

3)德国亥姆霍兹研究中心在1996年研制的纯转动拉曼测温激光雷达采用铊原子气体滤波器和阶梯光栅相结合的探测装置来提取纯转动拉曼谱线。该探测装置先通过工作温度为950℃的铊原子气体滤波器滤除弹性散射光，再通过阶梯光栅的分光特性提取N₂分子和O₂分子的斯托克斯和反斯托克斯纯转动拉曼谱线。在该探测装置中，铊原子气体滤波器需在950℃工作环境下才可以良好地实现对弹性散射信号的抑制，增加了激光雷达的运行成本并存在安全隐患；同时由于原子气体滤波器通过原子蒸气的吸收或共振线工作，只能工作在特定波长，大大限制了探测装置的波段使用范围。

大气分子产生的单根纯转动拉曼谱线的微分后向散射截面与照射波长的四次方成反比，同时紫外波段的太阳辐照度小于可见光波段，因此为了提高探测信噪比并实现在白天有效提取大气分子的纯转动拉曼谱线，基于紫外激光辐射的纯转动拉曼谱线探测装置是最佳的选择。但是，紫外激光辐射产生的大气分子纯转动拉曼谱线间隔远小于可见光激光辐射产生的大气分子纯转动拉曼谱线间隔，且在转动量子数J相同的情况下，对应紫外激光辐射的纯转动拉曼谱线距离弹性散射信号更近，尤其在提取纯转动拉曼低阶谱线的过程中更容易受到弹性散射信号的干扰。例如，在354.82nm紫外激光辐射下，N₂分子纯转动拉曼谱线间隔为0.1nm，而在532nm可见光激光辐射下，N₂分子纯转动拉曼谱线间隔为0.22nm。同时，由于目前紫外波段滤光元件的工艺水平无法对距离中心波长1nm附近的波长产生很高的信号强度抑制，因此在谱线间隔为0.1nm的情况下，很难实现窄带宽提取纯转动拉曼谱线并对附近的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制。为此，研发一种在紫外激光辐射下通过窄带宽的方式提取大气分子纯转动拉曼谱线的探测装置，同时该探测装置在白天也能以较高的信噪比进行常规探测，这对帮助激光雷达实现大气温度和气溶胶参数的全天时探测具有非常重要的意义。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种紫外波段准单支纯转动拉曼谱线信号探测装置。

本发明所采用的技术方案是：一种紫外波段准单支纯转动拉曼谱线信号探测装置，由光谱滤波单元和信号采集单元两单元组成。光谱滤波单元包括能量分光镜、第一超窄带滤光片、第一恒温箱、第一Fabry-Perot标准具、第一会聚透镜、第一双透镜组、高反镜、第二超窄带滤光片、第二恒温箱、第二Fabry-Perot标准具、第二会聚透镜、第二双透镜组；信号采集单元包含第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集器。

沿光轴依次排列的能量分光镜、第一超窄带滤光片、第一恒温箱、第一Fabry-Perot标准具、第一会聚透镜、第一双透镜组组成低阶拉曼通道；光束直径小于等于50mm的入射平行光照射工作角度为45°的能量分光镜，能量分光镜以50:50的能量比反射和透射入射平行光，能量分光镜透射的平行光依次通过三片结构参数相同的第一超窄带滤光片照射第一Fabry-Perot标准具，透过354.82nm紫外激光辐射时的N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝8特征谱线和O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝11特征谱线，并对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制，从而实现对紫外波段准单支反斯托克斯纯转动拉曼低阶谱线的提取；出射平行光依次经过第一会聚透镜、第一双透镜组变为光束直径小于8mm的平行光并被第一光电探测器接收。

沿光轴依次排列的高反镜、第二超窄带滤光片、第二恒温箱、第二Fabry-Perot标准具、第二会聚透镜、第二双透镜组组成高阶拉曼通道；能量分光镜反射的平行光经过工作角度为45°的高反镜并折转90°角传输，依次通过两片结构参数相同的第二超窄带滤光片照射第二Fabry-Perot标准具，透过354.82nm紫外激光辐射时的N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝14特征谱线和O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝19特征谱线，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制，从而实现对紫外波段准单支反斯托克斯纯转动拉曼高阶谱线的提取；出射平行光依次经过第二会聚透镜、第二双透镜组变为光束直径小于8mm的平行光并被第二光电探测器接收。

第一光电探测器和第二光电探测器将光信号转换为电信号并传输至数据采集器，数据采集器同时以模数转换和光子计数的方式对测量数据进行实时采集和存储。第一光电探测器、第二光电探测器在350nm至355nm波长范围内的阴极辐射灵敏度大于100mA/W。

进一步的，第一超窄带滤光片中心波长为354.07nm，带宽为0.15nm，峰值透过率大于等于40％，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于2个数量级的抑制，带外抑制大于7个数量级，三片相同的第一超窄带滤光片叠加使用，且叠加使用后对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制；第二超窄带滤光片中心波长为353.47nm，带宽为0.15nm，峰值透过率大于等于40％，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于3个数量级的抑制，带外抑制大于7个数量级，两片相同的第二超窄带滤光片叠加使用，且叠加使用后对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制。

进一步的，第一Fabry-Perot标准具和第二Fabry-Perot标准具的标准具参数相同，均为空气隙Fabry-Perot标准具，腔长为0.208mm，腔体内表面在353nm至355nm波长范围内的反射率为75％，自由光谱范围为0.301nm，带宽为0.03nm，峰值透过率为85％；第一Fabry-Perot标准具通过调节工作角度θ₁，使354.82nm紫外激光辐射时的N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝8特征谱线位于第一Fabry-Perot标准具透过率曲线的峰值处，同时透过O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝11特征谱线，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于1个数量级的抑制；第二Fabry-Perot标准具通过调节工作角度θ₂，使354.82nm紫外激光辐射时的N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝14特征谱线位于第二Fabry-Perot标准具透过率曲线的峰值处，同时透过O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝19特征谱线，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于1个数量级的抑制。为了便于说明工作角度对Fabry-Perot标准具透过率曲线的影响，给出平行光入射情况下的Fabry-Perot标准具透过率曲线表达式：

式中，α为Fabry-Perot标准具腔体内表面金属反射膜的吸收率，ρ为Fabry-Perot标准具腔体内表面金属反射膜的反射率，λ为入射光束的波长，n为Fabry-Perot标准具腔体中的空气折射率，h为Fabry-Perot标准具的腔长，θ为入射光束相对于Fabry-Perot标准具的入射角，由式(1)得到波长λ的透过率受光束入射角的影响。通过调节Fabry-Perot标准具的工作角度，可以改变对应波长的透过率。

进一步的，由于一天之内的昼夜温差会改变Fabry-Perot标准具腔体内的空气折射率，导致Fabry-Perot标准具透过率曲线的中心波长发生漂移，降低纯转动拉曼信号的透过率和对弹性散射信号强度的抑制。因此，为了消除环境温度对Fabry-Perot标准具的影响，所述第一Fabry-Perot标准具和第二Fabry-Perot标准具需分别放置在第一恒温箱和第二恒温箱中，且控温精度为0.05K。

进一步的，能量分光镜在350nm至355nm波长范围内的能量透反比为50:50，高反镜在350nm至355nm波长范围内的反射率大于99％，第一会聚透镜、第一双透镜组、第二会聚透镜和第二双透镜组的镜面均镀有350nm至355nm波长范围内的增透膜。

进一步的，第一会聚透镜和第二会聚透镜结构参数均相同，焦距为90.15mm；第一双透镜组、第二双透镜组结构参数均相同，组合焦距为10.13mm；第一会聚透镜的像方焦平面与第一双透镜组的物方焦平面重合，第二会聚透镜的像方焦平面与第二双透镜组的物方焦平面重合；每个通道中经过Fabry-Perot标准具的平行光再经过各自通道的会聚透镜和双透镜组变为光束直径小于8mm的平行光，最后入射至阴极光敏面直径为8mm的光电探测器，用于减小由于光电探测器阴极光敏面响应度不均匀造成的通道不重合效应。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)本发明提供了一种紫外波段准单支纯转动拉曼谱线信号探测装置，在354.82nm紫外激光辐射时的纯转动拉曼谱线间隔仅为0.1nm的情况下，通过窄带宽的方式对N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝8和J＝14特征谱线以及O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝11和J＝19特征谱线的提取和记录，同时对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制，有效避免弹性散射信号对提取信号的干扰。

(2)由于大气分子产生的单根纯转动拉曼谱线的微分后向散射截面与照射波长的四次方成反比，354.82nm紫外激光辐射所产生的大气分子单根纯转动拉曼谱线的微分后向散射截面是传统的532nm可见光激光辐射的5倍，因此在相同激光光子数辐射时对应354.82nm的信号强度得到大幅度提高；同时，波长在354.82nm附近的太阳光谱辐照度是532nm的0.6倍，减小了探测装置在白天探测过程中引入的天空背景噪声，大大提高了探测信噪比。

(3)354.82nm紫外激光辐射时的N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝8特征谱线的波长为354.07nm，O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝11特征谱线的波长为354.06nm，两根谱线相差0.01nm，能同时通过带宽为0.03nm的低阶拉曼通道透过率曲线并被第一光电探测器接收；354.82nm紫外激光辐射时的N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝14特征谱线的波长为353.47nm，O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝19特征谱线的波长为353.49nm，两根谱线相差0.02nm，能同时通过带宽为0.03nm的高阶拉曼通道透过率曲线并被第二光电探测器接收，该探测装置的两个通道均在极窄带宽的情况下提取准单支谱线。通过这种巧妙的纯转动拉曼谱线选择方案，不仅增强了探测装置带宽内的信号强度，提高探测信噪比，同时增加了与弹性散射信号之间的间隔，有利于拉曼通道对弹性散射信号产生大于6个数量级的抑制。

(4)传统的纯转动拉曼谱线信号探测装置的带宽在0.5～0.8nm范围内，而该探测装置采用带宽为0.15nm的超窄带滤光片和带宽为0.03nm的Fabry-Perot标准具相互结合的方式对准单支纯转动拉曼谱线进行提取并记录，带宽减小了一个数量级，极窄的带宽大幅度压缩了白天天空背景噪声，提高了探测信噪比，能实现全天时提取纯转动拉曼谱线，这对基于纯转动拉曼谱线进行大气全天时遥感探测的激光雷达提供了有力的技术保障。

附图说明

图1为本发明实施例的装置原理图；

其中：1-光谱滤波单元、101-能量分光镜、102-第一超窄带滤光片、103-第一恒温箱、104-第一Fabry-Perot标准具、105-第一会聚透镜、106-第一双透镜组、107-高反镜、108-第二超窄带滤光片、109-第二恒温箱、110-第二Fabry-Perot标准具、111-第二会聚透镜、112-第二双透镜组；

2-信号采集单元、201-第一光电探测器、202-第二光电探测器、203-数据采集器。

图2为本发明实施例中354.82nm紫外激光辐射时所产生的大气N₂分子和O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼谱；

图3为本发明实施例中超窄带滤光片与Fabry-Perot标准具的透过率曲线示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种紫外波段准单支纯转动拉曼谱线信号探测装置，包括光谱滤波单元1和信号采集单元2；

光谱滤波单元1包括能量分光镜101、第一超窄带滤光片102、第一恒温箱103、第一Fabry-Perot标准具104、第一会聚透镜105、第一双透镜组106、高反镜107、第二超窄带滤光片108、第二恒温箱109、第二Fabry-Perot标准具110、第二会聚透镜111、第二双透镜组112；信号采集单元包含第一光电探测器201、第二光电探测器202和数据采集器203。

沿光轴依次排列的能量分光镜101、第一超窄带滤光片102、第一恒温箱103、第一Fabry-Perot标准具104、第一会聚透镜105、第一双透镜组106组成低阶拉曼通道；能量分光镜101的工作角度为45°且在350nm至355nm波长范围内的能量透反比为50:50，光束直径小于等于50mm的入射平行光照射能量分光镜101，能量分光镜101以50:50的能量比反射和透射入射平行光，能量分光镜101透射的平行光依次通过三片结构参数相同的第一超窄带滤光片102(Materion，定制)照射第一Fabry-Perot标准具104(Tec Optics，定制)，透过354.82nm紫外激光辐射时的N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝8特征谱线和O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝11特征谱线，并对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制，从而实现对紫外波段准单支反斯托克斯纯转动拉曼低阶谱线的提取；出射平行光依次经过第一会聚透镜105、第一双透镜组106变为光束直径小于8mm的平行光并被第一光电探测器201(Hamamatsu，型号H10721)接收。

沿光轴依次排列的高反镜107、第二超窄带滤光片108、第二恒温箱109、第二Fabry-Perot标准具110、第二会聚透镜111、第二双透镜组112组成高阶拉曼通道；高反镜107的工作角度为45°且在350nm至355nm范围内的反射率大于99％，能量分光镜101反射的平行光经过高反镜107并折转90°角传输，依次通过两片结构参数相同的第二超窄带滤光片108(Materion，定制)照射第二Fabry-Perot标准具110(Tec Optics，定制)，透过354.82nm紫外激光辐射时的N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝14特征谱线和O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝19特征谱线，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制，从而实现对紫外波段准单支反斯托克斯纯转动拉曼高阶谱线的提取；出射平行光依次经过第二会聚透镜111、第二双透镜组112变为光束直径小于8mm的平行光并被第二光电探测器202(Hamamatsu，型号H10721-210)接收。

第一会聚透镜105和第二会聚透镜111结构参数均相同，且镜面镀有350nm至355nm波长范围内的增透膜，焦距为90.15mm；第一双透镜组106、第二双透镜组112结构参数均相同，且镜面镀有350nm至355nm波长范围内的增透膜，组合焦距为10.13mm；第一会聚透镜105的像方焦平面与第一双透镜组106的物方焦平面重合，第二会聚透镜111的像方焦平面与第二双透镜组112的物方焦平面重合；每个通道中经过Fabry-Perot标准具的平行光再经过各自通道的会聚透镜和双透镜组变为光束直径小于8mm的平行光，最后入射至阴极光敏面直径为8mm的光电探测器。

第一光电探测器201和第二光电探测器202将光信号转换为电信号并传输至数据采集器203(Licel，型号TR40-16bit)，数据采集器203同时以模数转换和光子计数的方式对测量数据进行实时采集和存储。第一光电探测器201、第二光电探测器202在350nm至355nm波长范围内的阴极辐射灵敏度大于100mA/W。

为了便于理解该探测装置中的低、高阶拉曼通道对纯转动拉曼特征谱线的提取方式，下面结合图2和图3做进一步的详细介绍。

在354.82nm紫外激光的辐射下，大气N₂分子和O₂分子会产生一系列分立的纯转动拉曼谱线，其中，N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝8和J＝14特征谱线的波长分别为354.07nm、353.47nm，且分别与波长为354.82nm的弹性散射信号相距0.75nm、1.35nm，O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝11和J＝19特征谱线的波长分别为354.06nm、353.49nm。

第一超窄带滤光片102中心波长为354.07nm，与N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝8特征谱线波长相同，带宽为0.15nm，峰值透过率大于等于40％，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于2个数量级的抑制，带外抑制大于7个数量级，三片相同的第一超窄带滤光片102叠加使用，且叠加使用后对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制；第二超窄带滤光片108中心波长为353.47nm，与N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝14特征谱线波长相同，带宽为0.15nm，峰值透过率大于等于40％，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于3个数量级的抑制，带外抑制大于7个数量级，两片相同的第二超窄带滤光片108叠加使用，且叠加使用后对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制。

第一Fabry-Perot标准具104和第二Fabry-Perot标准具110的标准具参数相同，均为空气隙Fabry-Perot标准具，腔长为0.208mm，腔体内表面在353nm至355nm波长范围内的反射率为75％，自由光谱范围为0.301nm，带宽为0.03nm，峰值透过率为85％；第一Fabry-Perot标准具104通过电动位移台(Thorlabs，型号DDR100)调节工作角度θ₁，使波长为354.07nm的N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝8特征谱线位于第一Fabry-Perot标准具104透过率曲线的峰值处，同时透过波长为354.06nm的O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝11特征谱线，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于1个数量级的抑制；第二Fabry-Perot标准具110通过电动位移台调节工作角度θ₂，使波长为353.47nm的N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝14特征谱线位于第二Fabry-Perot标准具110透过率曲线的峰值处，同时透过波长为353.49nm的O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝19特征谱线，对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于1个数量级的抑制。

如图3所示，每个拉曼通道的超窄带滤光片和Fabry-Perot标准具的透过率曲线中心波长与提取的目标特征谱线相匹配，纯转动拉曼谱经过带宽为0.15nm的超窄带滤光片滤波之后，再经过带宽为0.03nm的Fabry-Perot标准具压缩天空背景噪声，最终被光电探测器转换为电信号实现高信噪比的信号探测，从而实现对紫外波段准单支反斯托克斯纯转动拉曼谱线的提取。

为了消除环境温度对Fabry-Perot标准具的影响，所述第一Fabry-Perot标准具104和第二Fabry-Perot标准具110需分别放置在第一恒温箱103和第二恒温箱109中，且控温精度为0.05K。

本发明能同时提取和记录在354.82nm紫外激光辐射时产生的温度特性不同的N₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝8和J＝14特征谱线以及O₂分子反斯托克斯纯转动拉曼J＝11和J＝19特征谱线，同时对波长为354.82nm的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制，有效提高全天时探测信噪比，为激光雷达开展全天时探测大气温度和气溶胶参数提供有力的技术保障。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。