一种双光束全波段探测激光雷达 |
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| 申请号 | CN201410510355.5 | 申请日 | 2014-09-28 | 公开(公告)号 | CN104199046A | 公开(公告)日 | 2014-12-10 |
| 申请人 | 中国科学院空间科学与应用研究中心; | 发明人 | 杨国韬; 程学武; 王继红; 王泽龙; 杜丽芳; 岳川; 李发泉; 龚顺生; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种双光束全波段探测 激光雷达 ，能实现 原子 或离子的同时探测，包括：发射部分和接收部分，其中发射部分又包括：YAG固体 激光器 ，用于发射基波光；第一 倍频器 ，用于将激光器所发射的基波光做倍频处理，以产生第一束 泵 浦光；第二倍频器，用于将基波光经倍频处理后所剩余的光再次做倍频处理，以产生第二束泵浦光；第一染料激光器和第二染料激光器，分别产生需要的特定 波长 的第一探测激光和第二探测激光；接收部分包括：望远镜，用于对全波段的光进行接收；第一检测通道和第二检测通道，分别用于检测对应于第一探测激光和第二探测激光的 信号 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种双光束全波段探测激光雷达，实现原子或离子的同时探测，其特征在于包括： |
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| 说明书全文 | 一种双光束全波段探测激光雷达技术领域[0001] 本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及一种中高层大气探测采用的激光雷达，更具体地涉及一种双波束全波段探测激光雷达。 背景技术[0002] 在地球大气80-110km区域，存在一个由大量金属原子和离子形成的金属层，其中含有钠、钾、铁、钙、锂等多种金属元素的原子和离子。目前在全世界范围内，现存的激光雷达主要探测钠原子层。但是，对于其它成份的探测，尤其是对于其它金属元素的原子和离子的同时探测，是当今中高层大气研究的迫切需求。 [0003] 激光雷达探测钠、钾等原子的原理是：选用与钠、钾等跃迁谱线相一致的发射激光波长，即可实现特定原子/离子的探测。比如钠原子的常见荧光谱线(D2线)是589.0nm(空气中波长)，只需将发射激光波长同样设为589.0nm，即可实现钠原子层的特定探测；又如钙原子、钙离子的共振荧光波长分别是422.7nm、393.4nm，那么将发射激光的波长相应地设为422.7nm或者393.4nm，即可分别实现钙原子、钙离子的探测。 [0004] 传统的大气金属层探测用的激光雷达通常采用YAG固体激光器来泵浦染料激光器的方式产生发射激光。具体来说，通过将YAG固体激光器1064nm基波光倍频处理，产生波长为532nm的激光---第一束绿光，以用于泵浦染料激光器。由于染料具有能级连续性，就使得染料激光器可以输出任意的发射激光波长。 [0005] 但是，传统的激光雷达只能探测大气中的一种金属原子或离子，而无法实现同时探测大气中的两种金属原子或离子。 发明内容[0006] 因此，我们提出一种双光束全波段探测激光雷达，实现原子/离子的同时探测，包括：发射部分和接收部分，其中发射部分又包括：YAG固体激光器，用于发射基波光；第一倍频器，用于将激光器所发射的基波光做倍频处理，以产生第一束泵浦光；第二倍频器，用于将基波光经倍频处理后所剩余的未做倍频处理的光做倍频处理，以产生第二束泵浦光；第一染料激光器和第二染料激光器，分别产生需要的特定波长的第一探测激光和第二探测激光；接收部分包括：望远镜，用于对全波段的光进行接收；第一检测通道和第二检测通道，分别用于检测对应于第一探测激光和第二探测激光的信号。 [0007] 根据一个实施例，本发明中的基波光为波长1064nm的激光。 [0008] 根据又一个实施例，本发明的双光束全波段探测激光雷达的发射部分还包括分别设置在第一染料激光器后面的第三倍频器和设置在第二染料激光器后面的第四倍频器，分别用于将染料激光器发射的激光做倍频处理，以获得需要的激光。 [0009] 根据又一个实施例，本发明的双光束全波段探测激光雷达的接收部分还包括分光镜，用于将望远镜接收的各种原子或离子的共振荧光信号分为两个通道。 [0010] 根据再一个实施例，本发明的双光束全波段探测激光雷达的发射部分中，可以通过调节染料激光器的光栅、更换染料等，以便获得波长从紫外到红外且独立可调的激光。 [0011] 根据本发明的优选实施例，发射部分还包括第一频率检测器和第二频率检测器，用于接收从待发射的两束激光中分别引出的小部分激光以校验其频率与原子或离子的共振频率是否相符。 [0012] 根据本发明的优选实施例，发射部分还包括第一工控机，用于当第一和/或第二频率检测器检查到当前波长与待探测的金属原子或离子共振波长不相符时，调节第一和/或第二染料激光器的输出波长，使其发出满足我们需求的波长的激光。 [0016] 图1-a和1-b分别为本发明的双光束全波段探测激光雷达的发射部分和接收部分的原理结构示意图。 [0017] 图2为根据本发明的一个优选实施例的双光束全波段探测激光雷达的发射部分的结构示意图。 [0018] 图3为根据本发明的一个优选实施例的双光束全波段探测激光雷达的接收部分的结构示意图。 具体实施方式[0019] 下面结合附图和实施例对本发明的双光束全波段探测激光雷达进行详细说明。 [0020] 图1-a和1-b分别为本发明的双光束全波段探测的激光雷达的发射部分和接收部分的原理结构示意图。图1-a所显示的发射部分包括：YAG固体激光器1，用于发射基波光；第一倍频器2，用于将激光器1所发射的基波光做倍频处理，以产生第一束泵浦光；第二倍频器3，用于将基波光经倍频处理后所剩余的未做倍频处理的光做倍频处理，以产生第二束泵浦光；第一染料激光器4和第二染料激光器5，分别产生需要的特定波长的第一探测激光和第二探测激光。图1-b中所显示的接收部分包括：望远镜6，用于对全波长的光进行反射接收；第一检测通道7和第二检测通道8，分别用于检测对应于第一探测激光和第二探测激光的信号。 [0021] 图2为根据本发明的一个优选实施例的双光束全波段探测激光雷达的发射部分的结构示意图。如图2所示，在此示范性例子中，该激光雷达同时探测钙原子和钙离子。如图所示，YAG固体激光器1发出的波长为1064nm的基波光由第一倍频器2进行倍频处理，产生第一束波长为532nm的激光(绿光)。剩余的未做倍频处理的1064nm基波光由第二倍频器3进行倍频处理，得到第二束波长为532nm的激光(绿光)；两束波长为532nm的激光分别用于泵浦第一染料激光器4和第二染料激光器5，以便产生波长分别为845.5nm和786.8nm的两束激光。接下来，第三倍频器9和第四倍频器10分别对上述波长分别为845.5nm和786.8nm的两束激光做倍频处理，从而获得波长分别为422.7nm和393.3nm的两束激光，以分别经反射镜发射出去，用于同时激发钙原子和钙离子的荧光探测。 [0022] 在本发明的另外的实施例中，利用染料激光器的波长具有连续可调性这一特点，通过调节染料激光器的光栅、更换染料等，获得波长从紫外到红外且独立可调的两束激光，从而实现对钠、钾、铁、钙等元素的二种原子/离子的同时探测。 [0023] 更具体地，由两台染料激光器4和5发出的波长分别为λ’和λ”的两束激光经过倍频器9和10产生波长分别为λ’和λ”的两束激光(λ’＝2λ1和λ”＝2λ2)。λ’和λ”的具体数值根据需要探测的大气金属元素的原子和离子种类来确定，可参照下表： [0024]种类 钠原子 钾原子 铁原子 钙原子 钙离子 波长(nm) 589.0 769.9 372.0 422.7 393.4 [0025] 在图2的实施例中，波长分别为λ’和λ”的两束激光分别通过扩束镜11和12以得到设定的发散角。 [0026] 在优选实施例中，发射部分还包括第一频率检测器13和第二频率检测器14，用于接收从待发射的两束激光中分别引出的小部分激光以校验其频率与待探测的金属原子或离子的共振频率是否相符。 [0027] 在优选实施例中，发射部分还包括第一工控机15，用于当频率检测器13和/或14检测到当前波长与待探测的原子和/或离子的共振波长不符时，调节染料激光器4和/或5的输出波长，使之输出满足需求的波长的激光。此外，发射部分还包括第二工控机15’，用于通过步进电机控制反射镜的方向，进而精确调节入射光束的角度。 [0028] 图3为根据本发明的一个优选实施例的双光束全波段探测探测的激光雷达的接收部分的结构示意图。如图3所示，接收部分包括望远镜6，此实施例中，望远镜6采用镀铝膜的直径达1m的全波段反射式望远镜可以高效接收各种原子或离子的共振荧光信号。信号经分光镜16(探测不同的原子或离子组合使用不同的分光镜)分为两个通道，分别提供到两个检测通道中。在两个检测通道中，光信号分别经过滤波片17和18及光电倍增管19和20转换为电信号，探测不同的原子或离子应采用不同的滤光片与光电倍增管。电信号经前置放大器21和22放大后由光子采集卡23和24记录，最终将数据储存在工控机25中。示波器26用来监视整套激光雷达系统的工作状态。 [0029] 我们通过更换染料、调节激光器光栅等简单方法，不仅能同时输出两束激光，还使激光波长可以在紫外-可见-红外范围内任意地且独立地可调，以实现钠、钾、钙、钙离子、铁等元素的原子或离子中任意二者的同时探测。 |
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