本发明涉及一种能分辨并检测由N2分子产生的振转Raman谱信号的双光栅光谱仪系统。
背景技术：
在极窄线宽(<0.1pm)激光的照射下，大气分子(主要包括N2和O2分子等)会与激光相互作用并产生次级辐射。次级辐射产生的光谱，同时包括弹性的Rayleigh谱和非弹性的Raman谱。Rayleigh谱相对发射激光波长无频移，与发射激光波长相同；Raman谱相对发射激光波长有频移，与发射激光波长不同。Raman谱包括纯转动Raman谱和振转Raman谱两种。纯转动Raman谱相对发射激光波长有一定频移，分居在发射激光波长两侧，不同分子产生的纯转动Raman谱在频谱上的分布不同并互相交叠。振转Raman谱相对发射激光波长有更大频移，在频谱上距离发射激光较远，由不同分子产生的振转Raman谱在频谱上也通常完全分离。大气分子产生的Raman谱(包括谱强度和谱形)与温度相关，借助实测的分子Raman谱可以获取温度信息。由于不同分子产生的纯转动Raman谱在频谱上相互交叠，完全分辨并提取由单一分子产生的纯转动Raman谱非常困难，例如，要求光谱仪谱分辨精度必须达到1pm量级，传统的光谱仪是无法胜任这一工作的。与此不同的是，分子的振转Raman谱单谱线间距较大(例如，0.1nm量级)，故而分子的振转Raman谱在理论上是具有被光谱仪分辨并记录的可能性的。另外，与大气物质的弹性散射相比，分子的Raman散射是一种效率极低的散射，Raman散射信号通常在强度上比弹性散射信号弱3-6个数量级。为此，在提取分子的振转Raman谱信号时，需要高效传输目标信号，并产生对弹性强信号足够程度的抑制。N2分子在自然大气中丰度最大，体积占比78％，故在大气中由N2分子产生的振转Raman谱信号通常最强。在波长354.8nm紫外激光辐射下，由N2分子产生的Stokes振转Raman谱，在频谱上表现为一条条分立的谱线：中心波长为386.8nm，其Q支谱局限在极窄的频谱范围内(～0.3nm)，其O支与S支谱对称分布在中心波长两侧，且O支与S支谱各谱线在频谱上近似等间距(约为0.12nm)。设想能有一种分辨并记录N2分子振转Raman谱的光谱仪系统，能灵活方便地接入激光雷达系统，通过对N2分子振转Raman谱的测量及处理即可直接得到温度信息，这对温度的实时高精度探测是非常有帮助的。
技术实现要素：
本发明的目的是提出了一种分辨N2分子振转Raman谱的双光栅光谱仪系统，该系统能在354.8nm紫外激光辐射时实现对N2分子振转Raman谱的测量。该系统由信号馈入单元、光学色散单元和信号检测单元等三部分组成，其中信号馈入单元提供方便灵活的光学接入方式，实现信号的传导与馈入；光学色散单元能高效传输并以8.3mmnm-1的线色散率色散384.9-388.6nm范围通带信号光，同时对带外354.8nm附近光产生优于6个数量级的抑制；信号检测单元实现对在空间上色散开的通带范围内信号的分辨与记录。为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种分辨N2分子振转Raman谱的双光栅光谱仪系统，该系统由信号馈入单元、光学色散单元和信号检测单元三部分组成，信号馈入单元由芯径0.6mm、数值孔径0.12的集束光纤组成；光学色散单元由透镜1与光栅1、透镜2与光栅2等组成；信号检测单元包含一个阵列式多通道的探测器。集束光纤由7根相同的光纤组成，每根光纤芯径0.6mm，数值孔径0.12。集束光纤入口端为标准的SMA光纤接头，其中6根光纤以第7根光纤为圆心等间距排列；在集束光纤出口端，7根光纤成线状在铅直方向紧密排列。集束光纤出端口中心精准位于透镜1的焦点上。经集束光纤传导的信号光通过光纤出端口后，首先照射由透镜1和光栅1组成的第一级光栅色散系统。透镜1直径100mm，焦距400mm，双面镀增透膜，对384.9-388.6nm范围光透过率大于99％；光栅1为平面反射式闪耀光栅，刻线密度1200grmm-1，闪耀波长400nm，闪耀角度46.00°，工作角度46.10°，衍射级次为三级。透镜1和光栅1准Littrow结构布局，将入射信号光初步色散后汇聚在透镜1焦面上。其中，在384.9-388.6nm范围对应的三级衍射光能通过透镜1焦面上长10mm×宽8mm的预留矩形小孔；在波长354.8nm附近对应的三级衍射光汇聚在透镜1焦面上不同位置且不能通过矩形小孔。经过矩形小孔的信号光接着照射由透镜2和光栅2组成的第二级光栅色散系统。透镜2直径130mm，焦距800mm，双面镀增透膜，对384.9-388.6nm范围光透过率大于99％；光栅2为平面反射式闪耀光栅，刻线密度600grmm-1，闪耀波长386nm，闪耀角度54.00°，工作角度55.86°，衍射级次为七级。透镜2和光栅2同样准Littrow结构布局，将384.9-388.6nm范围入射信号光以8.3mmnm-1的线色散率在透镜2焦面上色散开来。探测器共包含32个探测通道，单个探测通道光敏面物理尺寸为0.8mm×7.0mm，相邻探测通道之间有0.2mm的死区间隔，通道间距1.0mm。精调探测器位置，每个探测通道光敏面长7.0mm边都平行于铅直方向；同时，保证探测器第1到第14通道光敏面中心依次对准N2分子振转Raman谱O支转动量子数J＝16-2各谱线汇聚光中心，探测器第17到第32通道光敏面中心依次对准N2分子振转Raman谱S支转动量子数J＝0-14各谱线汇聚光中心，探测器第15到第16通道检测N2分子振转Raman谱Q支谱信号，进而实现对N2分子振转Raman谱的分辨与检测。第一级和第二级光栅色散系统的焦面在同一铅直面内，光轴在同一水平面内相互平行且间距82.94mm。整个双光栅光谱仪系统通带光谱区为384.9-388.6nm范围，在354.8nm紫外激光辐射时对应N2分子的振转Raman谱区；通带内线色散率8.3mmnm-1，并对带外354.8nm附近光产生优于6个数量级的抑制。如上所述的一种分辨N2分子振转Raman谱的双光栅光谱仪系统，采用一根集束光纤将传导的信号光馈入光学色散单元。集束光纤由7根相同的光纤组成，每根光纤芯径0.6mm、数值孔径0.12。集束光纤入口端为标准的SMA光纤接头，其中6根光纤以第7根光纤为圆心等间距排列。在集束光纤出口端，7根光纤成线状在铅直方向紧密排列。集束光纤出端口中心精准位于透镜1焦点上。如上所述的一种分辨N2分子振转Raman谱的双光栅光谱仪系统，采用准Littrow结构布局的两组级联的光栅色散系统实现对384.9-388.6nm范围光的高效传输并以8.3mmnm-1的线色散率在空间上色散开来，同时对354.8nm附近光产生优于6个数量级的抑制。第一级光栅色散系统由透镜1和光栅1组成：透镜1直径100mm，焦距400mm，双面镀增透膜，对384.9-388.6nm范围光透过率大于99％；光栅1为平面反射式闪耀光栅，刻线密度1200grmm-1，闪耀波长400nm，闪耀角度46.00°，工作角度46.10°，衍射级次为三级。第二级光栅色散系统由透镜2和光栅2组成：透镜2直径130mm，焦距800mm，双面镀增透膜，对384.9-388.6nm范围光透过率大于99％；光栅2为平面反射式闪耀光栅，刻线密度600grmm-1，闪耀波长386nm，闪耀角度为54.00°，工作角度55.86°，衍射级次为七级。两组光栅色散系统的焦面在同一铅直面内，光轴在同一水平面内相互平行且间距82.94mm。如上所述的一种分辨N2分子振转Raman谱的双光栅光谱仪系统，探测器共包括32个探测通道，单个探测通道光敏面物理尺寸为0.8mm×7.0mm，相邻探测通道之间有0.2mm的死区间隔，通道间距1.0mm。探测器光敏面准确定位在透镜2焦面上，每个探测通道光敏面长7.0mm边都平行于铅直方向。探测器第1到第14通道光敏面中心依次对准N2分子振转Raman谱O支转动量子数J＝16-2各谱线汇聚光中心，探测器第17到第32通道光敏面中心依次对准N2分子振转Raman谱S支转动量子数J＝0-14各谱线汇聚光中心。如上所述的一种分辨N2分子振转Raman谱的双光栅光谱仪系统，两组级联的光栅色散系统通带光谱区为384.9-388.6nm范围，通带光谱区内线色散率8.3mmnm-1，在354.8nm紫外激光辐射时，与线阵探测器配合实现对N2分子振转Raman谱的分辨与记录。与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：提供灵活方便的光学接入与信号传输方式；产生对应384.9-388.6nm范围的通带光谱区，对通带内信号高效传输并以8.3mmnm-1的线色散率在空间上色散开来，同时对带外354.8nm附近光大幅抑制；能在354.8nm紫外激光辐射时实现对N2分子振转Raman谱的分辨与记录。为保证灵活方便的光学接入与信号传输方式，采用集束光纤接收、传导信号光，并在光纤出端口将传导的信号光以准“线光源”的方式馈入光学色散单元。为实现通带光谱区384.9-388.6nm范围信号的高效传输：集束光纤出端口中心精确定位在透镜1焦点上，单光纤芯径0.6mm，数值孔径0.12，确保自光纤导出的光能够100％照射透镜1；透镜1和透镜2双面镀增透膜，保证384.9-388.6nm范围光能高效透过，单次透过率优于99％；光栅1和光栅2选用镀Al膜的平面反射式闪耀光栅，闪耀波长依次为400nm和386nm，工作角度接近闪耀角，保证384.9-388.6nm范围内光都具有高衍射效率。为让通带光谱区内信号按既定方式色散：透镜1焦距定为400mm，光栅1刻线密度1200grmm-1，工作角度46.10°，衍射级次为三级，二者准Littrow结构布局，实现通带内信号的初步色散；透镜2焦距取为800mm，光栅2刻线密度600grmm-1，工作角度55.86°，衍射级次为七级，二者准Littrow结构布局，对通带内信号进一步色散；设置两级色散系统共焦面且光轴水平间距82.94mm，最终双光栅光谱仪系统通带光谱区对应384.9-388.6nm范围，通带内线色散率8.3mmnm-1。为实现对带外354.8nm附近光的大幅抑制：第一级光栅色散系统衍射的在354.8nm附近对应的三级衍射光被物理隔离而不能通过焦面上预留小孔；两组光栅色散系统级联实现对354.8nm附近光优于6个数量级的抑制。信号检测单元中的探测器包含32个线阵排列的探测通道，单通道光敏面物理尺寸为0.8mm×7.0mm，相邻探测通道之间有0.2mm的死区间隔，通道间距1.0mm。探测器光敏面准确定位在透镜2焦面上，每个探测通道光敏面长7.0mm边都平行于铅直方向。在色散系统8.3mmnm-1线色散率的条件下，探测器与色散系统配合，第1到第14通道光敏面中心依次对准N2分子振转Raman谱O支转动量子数J＝16-2各谱线汇聚光中心，第17到第32通道光敏面中心依次对准N2分子振转Raman谱S支转动量子数J＝0-14各谱线汇聚光中心，探测器第15到第16通道记录N2分子振转Raman谱Q支谱信号，在354.8nm紫外激光辐射时，实现对N2分子振转Raman谱的分辨与记录。附图说明图1为本发明实施例的双光栅光谱仪系统光路原理框图。具体实施方式本发明的关键在于采用芯径0.6mm、数值孔径0.12的集束光纤传导信号光；采用两组级联的准Littrow结构布局的光栅色散系统实现对384.9-388.6nm通带范围光的高效传输并以8.3mmnm-1的线色散率在空间上色散开来，同时对带外354.8nm附近光产生优于6个数量级的抑制；采用一个阵列式多通道的探测器分辨与记录通带范围内谱信号。本发明由三部分组成，即信号馈入单元、光学色散单元和信号检测单元。如附图1。信号馈入单元由集束光纤组成，为在美国Fiberguide公司的定制产品。集束光纤由7根相同的光纤组成，每根光纤芯径0.6mm，数值孔径0.12。集束光纤入口端为标准的SMA光纤接头，其中6根光纤以第7根光纤为圆心等间距排列；在集束光纤出口端，7根光纤成线状在铅直方向紧密排列。集束光纤出端口中心精准定位于透镜1的焦点上，以准“线光源”的方式将传导的信号光馈入光学色散单元。光学色散单元由透镜1与光栅1、透镜2与光栅2等组成。透镜1与透镜2为定制的双面镀增透膜的透镜，直径分别为100mm与130mm，焦距分别为400mm与800mm，对384.9-388.6nm范围光透过率大于99％。光栅1和光栅2为美国Newport公司镀Al膜平面反射式闪耀光栅，闪耀波长依次为400nm和386nm，工作角度接近闪耀角度，保证在384.9-388.6nm范围光具有高衍射效率。光栅1刻线密度1200grmm-1，闪耀角度46.00°，工作角度46.10°，衍射级次为三级；光栅2刻线密度600grmm-1，闪耀波长386nm，闪耀角度54.00°，工作角度55.86°，衍射级次为七级。透镜1与光栅1、透镜2与光栅2都准Littrow结构布局组成单光栅色散系统，两个色散系统共焦面且光轴水平间距82.94mm，二者级联后实现通带光谱区为384.9-388.6nm范围且对应8.3mmnm-1线色散率。通过在系统焦面上指定位置处预留长10mm×宽8mm的矩形小孔，由第一级色散系统衍射回的在354.8nm附近对应的三级衍射光不能通过矩形小孔而被物理隔绝，最终双光栅光谱仪系统实现对354.8nm附近光优于6个数量级的抑制。信号检测单元选用德国Licel公司的多通道数据采集系统，其光电转换器件为日本Hamamatsu公司H7260系列线阵光电倍增管，具体包括32个探测通道，单通道光敏面为7mm×0.8mm矩形，通道间距1mm，通道死区间隔0.2mm。探测器光敏面精准定位在光谱仪系统焦面上，与色散系统配合最终实现对N2分子振转Raman谱的分辨与检测。表1为本发明实施例的各光学元件的光学参数表，具体如下。表1