专利名称：双端差分吸收激光雷达的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光雷达，用来探测大气中二氧化氮和二氧化硫的浓度。
差分吸收激光雷达于七十年代开始研制。如英国国家物理实验室(Martin J.T.Miltou and Peter T.WoodsPulse averaging methods for alaser remote monitoring system using atmospheric backscattes.Appl.Opt.26(13).PP2598～2603.1987)，瑞士激光应用中心(H.J.klsch.P.Rairoux.J P.Wolf. and L wstesimultaneous No and No2 DIALmeasurement using BBO Crystals.Appl.Opt 28(11).PP2052～2056.1989)。这种激光雷达的一个共同点是采用两台YAG脉冲激光器来泵浦两台染料激光器，也就是说一台激光雷达要用4台激光器，致使激光雷达体积庞大，造价很高，而且由于使用了染料(液体)激光器，不易防震。另外，测量不同的污染气体需要不同的波长，这种激光雷达波长切换慢，滤波结构不够精细，信号采集到处理系统不够现代化。
本实用新型的目的是克服上述现有技术的不足之处，提供一种新型的激光雷达，在该雷达中只采用一台双脉冲双波长固体调谐激光器。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是由双脉冲双波长可调谐固体激光器、光学耦合系统、望远镜光学系统、光信号接收装置、数据采集与处理系统组成。
双脉冲双波长可调谐固体激光器，产生双脉冲双波长可调谐的激光；光学耦合系统，包括反射镜M1和反射镜M2，由激光器输出的谐波经反射镜M1、M2反射后与接收望远镜转轴同轴；望远镜光学系统，发射望远镜与观察望远镜安装在接收望远镜上，置于发射望远镜中的反射镜M3接收经反射镜M2反射的光束，全反镜M5将反射镜M4反射来的光束反射进入接收望远镜，用以测量二个脉冲的激光功率，全反镜M6作为测量时的合作目标，将测量光束反射回接收望远镜，进入接收望远镜之光束经抛物反射镜M7聚焦，并经反射镜M8反射输出；
光信号接收装置，把接收望远镜接收到的光信号经光电探测器件转换成电流信号输出，它包括准直镜L、滤光片F、单峰高反膜反射镜M9、光电探测器件，准直镜L将接收望远镜之聚焦光束准直为平行光束，滤光片F及反射镜M9用来滤去杂散光；数据采集与处理系统，包括放大器、数据采集卡及计算机，放大器将光电探测器件输出的电流信号转换成电压信号输出，响应时间为ns量级，激光器中第一路激光闪光信号同时输出一脉冲触发采集卡，采集卡开始工作，以记录发射激光波和激光回波的电信号，记录的数据再由计算机进行处理。
本实用新型的优点在于1.采用一台双脉冲双波长可调谐固体激光器替代原来的四台激光器，能使激光雷达结构紧凑，防震性能增强，实现微秒量级波长快速切换，有利于提高环境监测精度。
2.通过高反膜和干涉滤光片二次滤波，尽可能地消除杂散光，提高信噪比，提高测量灵敏度和精度。
3.采用触发控制数据采集卡与计算机处理，操作简便。
4.大大降低了成本，易于推广。
图1是本实用新型的结构简图。
图2是图1中激光器一种实施例的结构简图。
图3是图1中激光器另一种实施例的结构简图。
图4是图1中光信号接收装置的一种结构剖面图。
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
由图1所示，本实用新型由双脉冲双波长可调谐固体激光器1、光学耦合系统2、望远镜光学系统3、光信号接收装置4及数据采集与处理系统5组成。
固体激光器1的一种结构形式如图2所示。一路包括球面反射镜M11、色散棱镜组P1、Q开关Q1、激光晶体C1、反射镜M16、分色镜M14、晶体BBO1及平面镜M13，另一路包括球面反射镜M10、色散棱镜组P2、Q开关Q2、激光晶体C2、反射镜M15、分色镜M14，晶体BBO1及平面镜M12，晶体C1、C2分别由两台激光电源提供泵浦能量，晶体棒两端镀有对基波的减反膜层。Q开关可为KD*P晶体，色散棱镜为K9玻璃，按布儒斯特角磨制定位，每组可为4块，球面反射镜M11及M10之曲率半径可为4m，对基波900nm波长为全反射，45°分色镜M14对基波为高反射，对谐波为高透过率，平面镜M13及M12对基波和谐波均为高反射。
Q1开关瞬时导通光路，在第一路光腔中产生基波为λ01的光脉冲，但并不输出腔外，而是用于腔内通过BBO1晶体产生谐波λ1，波长λ01的值由球面反射镜M11的方位角确定，即通过调整M11来实现λ1的调谐。由晶体C1之电源触发晶体C2之电源，在第二路中产生基波为λ02的光脉冲，相应的谐波为λ2。触发延迟时间在μs量级。由于谐波λ1和λ2与BBO1晶体的匹配角有微小差异，使得输出的二个谐波λ1和λ2有一微小夹角，上面两路产生的谐波λ1、λ2通过反射镜M17和M18合为一束，由反射镜M19反射输出二次谐波。
二次谐波由晶体BBO1产生，用于测量NO2，当需要测量SO2时，则再将晶体BBO2推入光路，置于分色镜M14与晶体BBO1之间，反射镜M19的输出为三次谐波。
固体激光器1的另一种结构形式如图3所示。一路包括球面反射镜M20、色散棱镜组P3、平板Pt、Q开关Q3、激光晶体C3及反射镜M22，另一路包括球面反射镜M21、色散棱镜组P4、平板Pt、Q开关Q3、激光晶体C3及反射镜M22，平板Pt由电机15带动旋转，当平板Pt处于实线位置时，第一个谐振腔工作，当平板Pt处于虚线位置时，第二个谐振腔工作，上面两路分别产生基波λ01、λ02再由激光晶体C4放大，通过晶体BBO3输出二次谐波。
将晶体BBO4推入光路，置于晶体BBO3之后，由此输出为三次谐波。
晶体BBO3与晶体BBO4推入光路，其位置可分别由压电晶体PZT1、PZT2控制，为使晶体BBO4精确定位。可将其放在滑板上。压电晶体PZT1和PZT2由电子开关16加以控制。反射镜M20、M21分别由步进电机13、14带动进行调谐，步进电机13、14及电子开关16由计算机统一控制。
当然，上述晶体位置的控制及反射镜M20、M21的调谐也可采用手控。
上述激光晶体C1、C2、C3及C4可为Cr∶LiSAF晶体或钛蓝宝石晶体。
光学耦合系统2包括反射镜M1和反射镜M2，M1和M2为450nm和300nm双峰高反膜或其它硬膜反射镜，反射镜M1将激光器输出的光束向上折反90°，反射镜M2再将向上的光束向水平向折反90°与接收望远镜8转轴同轴。
望远镜光学系统3包括发射望远镜6，观察望远镜7及接收望远镜8。置于发射望远镜6中的反射镜M3接收经反射镜M2反射的光束，反射镜M4是高透过率、低反射率之反射镜，它与发射望远镜6发射光束成45°斜置，全反镜M5将反射镜M4反射来的光束反射进入接收望远镜8，用以测量二个脉冲(二个波长)的激光功率，全反镜M6作为测量时的合作目标，将测量光束反射回接收望远镜8，反射镜M5与M6分别反射回接收望远镜8的时间差就代表了激光雷达的测试距离。
发射望远镜6的放大倍数可为7x，发散角0.3mrad，望远镜筒由二段组成，用螺纹连接，其间有一调节垫片，用以调节光束发散角。发射望远镜6安装在接收望远镜8上，小头与接收望远镜8转轴配合，大头用三个螺钉支撑，用于调节光轴与接收望远镜8的光轴平行。
观察望远镜7的放大倍数可为10x，安装在接收望远镜8上，观察望远镜7的光轴与发射望远镜6的光轴平行。
接收望远镜8包括直径为φ400mm之抛物反射镜M7及平面反射镜M8，二镜可安装在长1米的镜筒内，镜筒两侧有二个转轴，通过二个轴承架固定于小车平台上，镜筒前部用一调节螺柱支撑在小车平台上，根据需要，镜筒可作俯仰调节。
光信号接收装置4包括准直镜L、滤光片F、单峰高反膜反射镜M9、光电探测器件9，准直镜L将接收望远镜8之聚焦光束准直为平行光束，滤光片F用于滤去杂散光，中心波长分别为300.0nm和449.0nm，带宽为5.0nm，可以更换，单峰高反膜反射镜M9是一反射式滤光片，中心波长分别为300.0nm和449.0nm，带宽为5.0nm，其作用也是用于滤去杂散光。该装置的一种结构剖面图如图4所示，在准直镜座26上置有准直镜L，可用螺母加以固定，在准直镜座26底部开有光孔A，准直镜座26下端置入接收望远镜8筒内，使光孔A处于接收望远镜8之焦点处，准直镜座26上端固定在压座25上，压座25固定在接收望远镜8筒上，其间可用一橡皮垫。在直角器20与连接套23之间置有滤光片座22，其上放置滤光片F，连接套23用弹簧24支撑在压座25上，并可沿压座25上、下滑动，将连接套23往下压，可以快速更换滤光片座22及滤光片F。在直角器20内置有高反膜镜座21，其上固定有单峰高反膜反射镜M9，在安装高反膜镜座时可用一销子定位，确保反射镜M9能使入射光线折向光电探测器件9，根据需要，可很方便地更换高反膜镜座21及高反膜反射镜M9。例如，当测NO2时，反射镜M9中心波长为450nm；当测SO2时，反射镜M9中心波长为300nm。光电探测器件9(包括带分压电路的管座)可用螺钉固定在电路壳座17上，电路壳座17固定在接收望远镜8筒上，在光电探测器件9外装有光电探测器件罩壳18，紧贴光电探测器件罩壳18内壁装有皮莫合金套19，用于防止磁场干扰，光路调整好后，将直角器20与光电探测器件罩壳18相固定。
光电探测器件9可选用光电倍增管或微通道板，光电倍增管采用日本滨松R928。
数据采集与处理系统5包括放大器10、数据采集卡11及计算机12，放大器10将光电探测器件9输出的电流信号转换成电压信号输出，电压输出在几百mV至3V之间调节，响应时间为ns量级，采集卡11可采用ADT-F905，采样速度100M，饱和电压3V。激光器中第一路激光闪光信号同时输出一脉冲触发采集卡11，采集卡11开始工作，以记录发射激光波和激光回波之电信号，记录的数据再由计算机12进行处理。
权利要求1.一种双端差分吸收激光雷达，其特征在于由双脉冲双波长可调谐固体激光器(1)、光学耦合系统(2)、望远镜光学系统(3)、光信号接收装置(4)、数据采集与处理系统(5)组成，双脉冲双波长可调谐固体激光器(1)，产生双脉冲双波长可调谐激光；光学耦合系统(2)，包括反射镜M1和反射镜M2，由激光器(1)输出的谐波经反射镜M1、M2反射后与接收望远镜(8)转轴同轴；望远镜光学系统(3)，发射望远镜(6)与观察望远镜(7)安装在接收望远镜(8)上，置于发射望远镜(6)中的反射镜M3接收经反射镜M2反射的光束，全反镜M5将反射镜M4反射来的光束反射进入接收望远镜(8)，用以测量二个脉冲的激光功率，全反镜M6作为测量时的合作目标，将测量光束反射回接收望远镜(8)，进入接收望远镜(8)之光束经抛物反射镜M7聚焦，并经反射镜M8反射输出；光信号接收装置(4)，把接收望远镜(8)接收到的光信号经光电探测器件(9)转换成电流信号输出，它包括准直镜L、滤光片F、单峰高反膜反射镜M9、光电探测器件(9)，准直镜L将接收望远镜8之聚焦光束准直为平行光束，滤光片F及反射镜M9用来滤去杂散光；数据采集与处理系统(5)，包括放大器(10)、数据采集卡(11)及计算机(12)，放大器(10)将光电探测器件(9)输出的电流信号转换成电压信号输出，响应时间为ns量级，激光器(1)中第一路激光闪光信号同时输出一脉冲触发采集卡(11)，采集卡(11)开始工作，以记录发射激光波和激光回波的电信号，记录的数据再由计算机(12)进行处理。
2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于激光器(1)的结构为，一路包括球面反射镜M11、色散棱镜组P1、Q开关Q1、激光晶体C1、反射镜M16、分色镜M14、晶体BBO1及平面镜M13，另一路包括球面反射镜M10、色散棱镜组P2、Q开关Q2、激光晶体C2、反射镜M15、分色镜M14、晶体BBO1及平面镜M12，由晶体C1之电源触发晶体C2之电源，将上面两路产生的谐波λ1、λ2通过反射镜M17和M18合成一束，由反射镜M19反射输出二次谐波。
3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于将晶体BBO2推入光路，置于分色镜M14与晶体BBO1之间，反射镜M19的输出为三次谐波。
4.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于激光器(1)的结构为，一路包括球面反射镜M20、色散棱镜组P3、平板Pt、Q开关Q3、激光晶体C3及反射镜M22，另一路包括球面反射镜M21、色散棱镜组P4、平板Pt、Q开关Q3、激光晶体C3及反射镜M22，平板Pt由电机带动旋转，使得上面两路分别产生基波λ01、λ02，再由激光晶体C4放大，通过晶体BBO3输出二次谐波。
5.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于将晶体BBO4推入光路，置于晶体BBO3之后，由此输出三次谐波。
6.根据权利要求2、4所述的激光雷达，其特征在于激光晶体C1、C2、C3及C4可为Cr∶LiSAF晶体或钛蓝宝石晶体。
7.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，光信号接收装置(4)的结构为，在准直镜座(26)上置有准直镜L，在准直镜座(26)底部开有光孔A，准直镜座(26)下端置入接收望远镜(8)筒内，使光孔A处于接收望远镜(8)之焦点处，准直镜座(26)上端固定在压座(25)上，压座(25)固定在接收望远镜(8)筒上，在直角器(20)与连接套(23)之间置有滤光片座(22)，其上放置滤光片F，连接套(23)用弹簧(24)支撑在压座(25)上，并可沿压座(25)上、下滑动，在直角器(20)内置有高反膜镜座(21)，其上固定有单峰高反膜反射镜M9，光电探测器件(9)固定在电路壳座(17)上，电路壳座(17)固定在接收望远镜(8)筒上，在光电探测器件(9)外装有光电探测器件罩壳(18)，紧贴光电探测器件罩壳(18)内壁装有皮莫合金套(19)，直角器(20)与光电探测器件罩壳(18)相固定。
8.根据权利要求1、7所述的激光雷达，其特征在于光电探测器件(9)为光电倍增管或微通道板。
专利摘要本实用新型提供了一种双端差分吸收激光雷达,用来检测大气中二氧化氮和二氧化硫的浓度。它由双脉冲双波长可调谐固体激光器、光学耦合系统、望远镜光学系统、光信号接收装置、数据采集与处理系统组成。采用了一台固体激光器,使激光雷达结构紧凑,防震性能增强,实现微秒量级波长快速切换,有利于提高监测精度,通过高反膜和干涉滤光片二次滤波,尽可能地消除杂散光,提高信噪比和测量灵敏度,该装置大大降低了成本,且操作简便。
文档编号G01N21/27GK2403017SQ0022907
公开日2000年10月25日 申请日期2000年1月11日 优先权日2000年1月11日
发明者是度芳, 贺渝龙, 沙先武, 刘会平 申请人:华中理工大学