用于大气环境中有害气体检测的差分吸收激光雷达光源

1.本发明属于染料激光器及激光技术领域，具体涉及一种用于大气环境中有害气体检测的差分吸收激光雷达光源与产生双波长激光的方法。


背景技术：

2.近些年，我国大城市群在经济以及工业化上快速发展，随着人民生活水平的提高，人为排放量也急剧增加，大气颗粒物以及臭氧引起的复合污染已成为大城市区域的主要污染问题。考虑到分布广泛的大气颗粒物、臭氧、no2、so2等对人类健康、生态系统等造成的严重危害，并且可能引起气候变暖等一些列的变化，因此对大气环境中颗粒物、臭氧、no2、so2等进行光学和物理特性的研究，探究其形成原因与影响因素等，具有十分重要的意义。
3.应用于大气环境检测技术的激光雷达是一种非常常见的检测仪器，它具有较高的空间与时间分辨率，可以长期连续地监测大气颗粒物以及臭氧等大气污染物的垂直分布，已在全世界范围内得到了广泛的应用。激光雷达作为最常见的大气环境检测技术，针对不同的大气污染物有着不同的具体应用。针对以大气颗粒物为代表的气溶胶，一般采用基于mie散射的多波长偏振激光雷达；而对于大气环境中的反应性气体与温室气体，如臭氧、no2、so2等，通常采用的是差分吸收激光雷达技术。作为一种主动式的光学遥感技术，差分吸收激光雷达技术具有空间分辨率高、探测灵敏度高、测量范围大等特点，可以实现大气痕量气体水平和垂直空间分布探测、高架源排放气体监测等常规技术手段难以实现的目标，在大气气体浓度遥感监测中具有独特的应用价值。
4.针对差分吸收激光雷达技术的研究方向有很多，差分吸收激光雷达技术发展至今，其光源的选择也呈现多样化，其中作为激光雷达光源的可调谐双波长激光器的研究近年来逐渐成为众多科研人员重点关注的对象之一。现有的产生可调谐双波长激光的方式包括非线性频率变换、激活离子能级分裂等，但是这些系统的设计相对复杂，操作也更为麻烦。基于染料激光器的双波长激光产生方法是近年来新兴的技术手段，但是这类方法在实施中存在的最大的问题是这些器件都利用同一种染料的同一空间或相邻空间的增益区，由于模式竞争使得两个波长的光相对强度难以控制。并且两个波长的调节相互收到牵制，不能做到完全独立。总而言之，如何准确选择并产生探测所需的探测波长和参考波长是整个激光雷达系统的关键。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提出一种用于大气环境中有害气体检测的差分吸收激光雷达光源，以期能得到双波长连续可调谐的激光器，并作为差分吸收激光雷达光源，从而能准确选择并产生探测所需的探测波长和参考波长，用于有效检测大气环境中so2、cs2等有害气体的浓度。
6.本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
7.本发明一种用于大气环境中有害气体检测的差分吸收激光雷达光源的特点在于，
包括：激光泵浦源、光学系统、染料激光谐振腔以及光学倍频系统；其中，所述激光泵浦源为脉冲工作模式的nd:yag固体激光器；所述光学系统包括：倍频晶体、半波片、偏振片、全反镜、柱透镜；所述染料激光谐振腔包括：闪耀光栅、染料池、输出耦合镜；所述光学倍频系统包括：起偏器、透射反射镜、非线性倍频晶体、双色波片以及光束合束器；
8.所述激光泵浦源出射的激光经过所述倍频晶体后输出倍频激光，再依次经过所述半波片与偏振片的输出能量调节后，由所述全反镜进行光路折叠得到泵浦光，所述泵浦光经过柱透镜的整型后，形成线状光斑泵浦光从侧面照射入所述染料池中；
9.所述染料池中装有尼罗红的乙醇溶液作为染料激光谐振腔的增益介质，并与闪耀光栅和输出耦合镜共同构成激光谐振腔，使得所述线状光斑泵浦光在所述激光谐振腔内产生染料激光并进行波长调谐后，从输出耦合镜的右侧输出，再依次经过起偏器、透射反射镜、非线性倍频晶体、双色波片以及光束合束器的倍频处理后，最终输出倍频激光，即为差分吸收激光雷达光源。
10.本发明所述的差分吸收激光雷达光源的特点也在于：在所述染料激光谐振腔的闪耀光栅下方设置有全反镜，并与所述染料池、闪耀光栅和输出耦合镜共同构成littman-metcalf构型的激光谐振腔。
11.所述激光谐振腔内的染料激光是按如下过程产生：
12.将装有尼罗红的乙醇溶液的染料池顺时针旋转，并与染料激光的主光轴形成一定角度，使得染料激光谐振腔中同时存在直线形激光轨迹与环形激光轨迹；二者在腔内保持稳定并来回振荡，最终形成双波长激光输出。
13.所述双波长染料激光是按如下步骤进行波长调谐：
14.步骤1a、通过旋转所述闪耀光栅来同时改变直线形激光轨迹与环形激光轨迹的入射角，从而改变所述直线形激光轨迹与环形激光轨迹在所述染料激光谐振腔中的振荡波长；
15.步骤2a、保持所述闪耀光栅的旋转角度不变，将其由远到近向所述染料池平移，从而在平移范围内连续改变所述双波长染料激光的波长间隔，以实现波长调谐。
16.所述双波长染料激光是按如下步骤进行波长调谐：
17.步骤1b、保持所述闪耀光栅的角度与位置不变，通过旋转所述全反镜来同时改变直线形激光轨迹与环形激光轨迹的入射角，从而改变所述直线形激光轨迹与环形激光轨迹在所述染料激光谐振腔中的振荡波长；
18.步骤2b、保持所述闪耀光栅与全反镜的旋转角度不变，将所述全反镜由远到近向所述闪耀光栅平移，从而在平移范围内连续改变所述双波长染料激光的波长间隔，以实现波长调谐。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
20.1.本发明利用有机激光染料尼罗红的溶剂化显色特性，结合光栅谐振腔对激光波长的调谐，可以实现波长连续可调的染料激光输出。这种通过色散元件进行波长调谐的技术，可以利用电机操控旋转或平移，实现了精密调谐，且操作简单，便于集成化。
21.2.本发明利用闪耀光栅、染料池与输出耦合镜构成的全内反射系统，通过精密调谐可实现双波长染料激光的连续可调谐输出。这种实现双波长激光输出的手段较为新颖，相比于其他技术手段例如非线性光学等更容易得到双波长激光；另外，通过替换激光增益
介质即激光染料，可以实现覆盖紫外—可见光—近红外的宽光谱范围的双波长激光输出，其适用范围与利用价值不可估量。
22.3.本发明利用光学倍频系统，可实现对输出染料激光的二倍频、三倍频，得到190～220nm以及290～330nm的双波长激光光源，且波长间隔在0.2～2.5nm范围内连续可调，可以用于差分吸收激光雷达整机研发，为大气环境中二氧化硫、二硫化碳等有害气体的痕量检测提供光源技术支持。
23.4.本发明整体结构简单，操作容易，激光泵浦源、谐振腔与光学倍频系统可集成为一体，且设备成本相对较低，应用广泛。
附图说明
24.图1是本发明实施例1差分吸收激光雷达光源的光路图；
25.图2是本发明实施例1中染料激光器谐振腔中的振荡激光轨迹示意图；
26.图3是本发明实施例1中通过旋转光栅得到的可调谐双波长激光光谱；
27.图4是本发明实施例1中通过平移闪耀光栅得到的双波长间隔连续改变的激光光谱；
28.图5是本发明实施例2中littman-metcalf构型的差分吸收激光雷达光源的光路图；
29.图6是本发明实施例2中染料激光谐振腔中双波长振荡激光的轨迹示意图；
30.图7是本发明实施例2中通过旋转全反镜得到的可调谐双波长激光光谱；
31.图8是本发明实施例2中通过平移全反镜得到的双波长间隔连续改变的激光光谱图。
具体实施方式
32.实施例1：如图1所示，一种用于大气环境中有害气体检测的差分吸收激光雷达光源，包括：激光泵浦源1、光学系统、染料激光谐振腔以及光学倍频系统；其中，激光泵浦源1为脉冲工作模式的nd:yag固体激光器；光学系统包括：倍频晶体2、半波片3、偏振片4、全反镜5、柱透镜6；染料激光谐振腔包括：闪耀光栅7、染料池8、输出耦合镜9；光学倍频系统包括：起偏器10、透射反射镜11、非线性倍频晶体12、双色波片13以及光束合束器14；
33.激光泵浦源1出射的激光经过倍频晶体2后输出倍频激光，再依次经过半波片3与偏振片4的输出能量调节后，由全反镜5进行光路折叠得到泵浦光，泵浦光经过柱透镜6的整型后，形成线状光斑泵浦光从侧面照射入染料池8中；
34.染料池8中装有尼罗红的乙醇溶液作为染料激光谐振腔的增益介质，并与闪耀光栅7和输出耦合镜9共同构成激光谐振腔，使得线状光斑泵浦光在激光谐振腔内产生染料激光并进行波长调谐后，从输出耦合镜9的右侧输出，再依次经过起偏器10、透射反射镜11、非线性倍频晶体12、双色波片13以及光束合束器14的倍频处理后，最终输出倍频激光，即为差分吸收激光雷达光源。
35.本实施例1中的激光谐振腔内的双波长染料激光是按如下过程产生：
36.染料池8中装有适当浓度的尼罗红/乙醇溶液，作为染料激光器的增益介质；经过532nm抽运光源的侧面照射，在染料池8中受激辐射产生荧光，经过闪耀光栅7与输出耦合镜
9构成的谐振腔反馈形成稳定的激光震荡，最终向右输出单一波长的染料激光；
37.如图2所示，为实施例1中染料激光谐振腔中双波长振荡激光的轨迹示意图。将装有尼罗红的乙醇溶液的染料池8顺时针旋转，并与染料激光的主光轴形成一定角度，使得染料激光谐振腔中同时存在直线形激光轨迹101与环形激光轨迹102；二者在腔内保持稳定并来回振荡，最终形成双波长激光输出。
38.具体实施中，双波长染料激光是按如下步骤进行波长调谐：
39.步骤1a、通过旋转闪耀光栅7来同时改变直线形激光轨迹101与环形激光轨迹102的入射角，从而改变直线形激光轨迹101与环形激光轨迹102在染料激光谐振腔中的振荡波长；当染料池水平放置时，谐振腔中存在唯一一种激光轨迹，即直线形激光轨迹101；当染料池沿顺时针倾斜微小角度时，谐振腔中由于全内反射tir，出现另一种激光轨迹，即环形激光轨迹102，与直线形激光轨迹并存。二者在谐振腔内保持稳定并来回振荡，由于振荡轨迹长度不同，最终形成双波长激光输出。图3是在实施例1的光路中得到的激光光谱，通过旋转光栅3
°
可以实现从626.6nm至697.8nm连续可调谐的双波长激光输出，调谐范围高达71.2nm；
40.步骤2a、保持闪耀光栅7的旋转角度不变，将其由远到近向染料池8平移，从而在平移范围内连续改变双波长染料激光的波长间隔，以实现波长调谐。当保持光栅旋转角度不变，将其由近到远平移时，由于增加了谐振腔总长，导致为了形成闭合的腔结构，其中环形激光轨迹102的入射角必然发生改变，因此其振荡波长也随之变化；与此同时，直线形激光轨迹101的入射角只与光栅旋转角度有关，并不发生改变，因此其振荡波长不变。最终可从输出端得到双波长间隔连续改变的激光光谱，如图4所示。通过平移，可以得到波长间隔在0.7～5nm范围内连续改变的双波长激光光源。经过倍频后，其双波长间隔为0.35～2.5nm，可为差分吸收激光雷达光源的制备提供重要参考依据。
41.实施例2：在染料激光谐振腔的闪耀光栅7下方设置有全反镜15，并与染料池8、闪耀光栅7和输出耦合镜9共同构成littman-metcalf构型的激光谐振腔，如图5所示。
42.其中，littman-metcalf构型的激光谐振腔内的双波长染料激光是按如下过程产生：
43.染料池8中装有适当浓度的尼罗红/乙醇溶液，作为染料激光器的增益介质；经过532nm抽运光源的侧面照射，在染料池8中受激辐射产生荧光，在染料激光谐振腔中稳定振荡，最终形成向右输出单一波长的染料激光；
44.如图6所示，为实施例2中染料激光谐振腔中双波长振荡激光的轨迹示意图。将装有尼罗红的乙醇溶液的染料池8顺时针旋转，并与染料激光的主光轴形成一定角度，使得染料激光谐振腔中同时存在直线形激光轨迹103与环形激光轨迹104；二者在腔内保持稳定并来回振荡，最终形成双波长激光输出。
45.littman-metcalf构型的激光谐振腔中双波长染料激光是按如下步骤进行波长调谐：
46.步骤1b、保持闪耀光栅7的角度与位置不变，通过旋转全反镜15来同时改变直线形激光轨迹103与环形激光轨迹104的入射角，从而改变直线形激光轨迹103与环形激光轨迹104在染料激光谐振腔中的振荡波长；当染料池沿顺时针倾斜微小角度时，谐振腔中由于全内反射tir同时存在两种激光轨迹，即直线形激光轨迹103与环形激光轨迹104。它们保持稳
定并来回振荡，最终形成双波长激光输出。图7为实施例2中通过旋转全反镜2.1
°
实现的从634.4nm至663.3nm的连续可调谐双波长激光输出，调谐范围覆盖29nm。
47.步骤2b、保持闪耀光栅7与全反镜15的旋转角度不变，将全反镜15由远到近向闪耀光栅7平移，从而在平移范围内连续改变双波长染料激光的波长间隔，以实现波长调谐。不改变闪耀光栅7与全反镜15的角度，且保持闪耀光栅7的位置不变，通过平移全反镜15，改变其与闪耀光栅7之间的距离，可以得到波长间隔在1.5nm～4nm范围内连续改变的双波长激光光源，其调谐结果如图8所示。经过倍频后，其双波长间隔为0.75nm～2nm，同样可为差分吸收激光雷达光源的制备提供重要参考依据。
48.综上所述，本技术一种用于大气环境中有害气体检测的差分吸收激光雷达光源与产生双波长激光的方法，利用有机激光染料尼罗红的溶剂化显色特性与优秀的激光特性，在光栅谐振腔与染料池构成的全内反射系统中，通过精密调谐，实现620nm～700nm的大范围双波长连续可调谐激光输出；同时利用非线性光学倍频系统实现对输出激光的二倍频、三倍频，得到190～220nm以及290～330nm的双波长激光光源，且波长间隔在0.2～2.5nm范围内连续可调，可以用于差分吸收激光雷达整机研发，为大气环境中二氧化硫、二硫化碳等有害气体的痕量检测提供光源技术的重要支持。