高功率鐵共振螢光雷射雷達的製作方法
2023-05-31 01:06:26 2
專利名稱：高功率鐵共振螢光雷射雷達的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種探測中層頂區域鐵層及中層大氣溫度密度的高功率鐵共振螢光雷射雷達。
背景技術：
雷射雷達以其高時空分辨能力、高探測靈敏度以及可連續探測等特點，被廣泛應用於大氣、海洋、陸地和其他目標的遙感探測中，尤其適合對大氣參量的探測。雷射雷達最基本的工作原理與普通雷達類似，即由發射系統發送一個信號，與目標作用產生的返回信號被接收系統收集並處理，以獲得所需要的信息。不同的是，雷射雷達的發射信號為雷射，由於所用探測束波長的縮短和定向性的加強，因而具有很高的空間、時間分辨能力和高探測靈敏度，能分辨被測物種和不存在探測盲區等優點。雷射雷達發射的雷射束與大氣中的塵埃、雲霧、煙霧以及其它微粒相互作用，產生後向散射的回波光子信號，被雷射雷達的望遠鏡系統接收，接收到的回波光子經過信號檢測與處理系統，可以得到回波信號強度隨高度的分布，進而利用雷射雷達方程反演出被探測對象的各種物理參數的空間分布和時間變化。
在大約80-120km的高空，存在多種金屬原子層，它們來自於流星的消融。作為流星體中所含的主要成份之一，鐵原子是迄今可探測到的中間層金屬原子中密度含量最高的成分。與鈉、鉀、鋰和鈣等鹼金屬和鹼土金屬不同，作為過渡金屬的鐵原子與中間層大氣的化學反應引起了人們的廣泛關注。對於中層頂區域鐵層的觀測研究使人們能夠了解主要流星成分的來源、輸運和消失過程。此外，通過探測鐵原子兩個相近的躍遷譜線上布居數的差異還可以獲取中間層大氣的溫度剖面。因此對中層頂區域鐵層進行探測研究對於了解中層頂的環境特徵具有十分重要的意義。由於鐵原子的共振螢光線處於近紫外(372nm)，並且其共振散射截面僅為鈉原子的1/15，對其進行探測在技術上比較困難。近年來隨著雷射技術尤其是光混頻技術與紫翠玉雷射器(Alexandrite Laser)技術以及接收望遠鏡技術的發展，國際上也隨之興起了對鐵層探測研究的熱潮。在這一領域具有代表性的是美國University of Illinois atUrbana-Champaign(UIUC)的Gardner領導的研究小組和美國Cornell大學位於Arecibo的觀測站。美國UIUC的鐵共振螢光雷射雷達系統採用的是種子注入的閃光燈泵浦的紫翠玉雷射器，該雷射器發出744nm波長的雷射，然後通過倍頻晶體得到372nm波長雷射。採用紫翠玉雷射器的二倍頻得到372nm的單脈衝能量約100mJ，但是紫翠玉雷射器不儀維護非常困難，而且其配件的價格也相當昂貴。因此，目前包括Arecibo觀測站以及法國的OHP觀測站的鐵共振螢光雷射雷達的發射系統都是採用Nd:YAG的二倍頻泵浦染料雷射器，產生572nm波長的雷射。然後，再與Nd:YAG倍頻後剩餘的1064nm基頻光進行光混頻得到鐵原子共振螢光線所需要的372nm波長雷射。採用固體雷射器泵浦染料雷射器，然後進行光混頻方式得到372nm波長雷射，這種方式不僅從價格上來說要比採用紫翠玉雷射器便宜，而且維護也相對比較簡單。但是，受到雷射器本身的倍頻效率、泵浦效率和混頻效率的限制，最終所得到的372nm雷射的單脈衝能量一般都比較低。如Arecibo觀測站的鐵雷射雷達的單脈衝能量是20mJ，線寬是2.0GHz，脈衝重複頻率為40Hz；法國的OHP觀測站的單脈衝能量為15mJ，線寬是1.8GHz，脈衝重複頻率為10Hz。可見，如何保證鐵雷射雷達發射系統在操作、維護上方便並且價格便宜的基礎上，儘量提高雷射的單脈衝能量是有效地進行鐵層常規探測的前提。
發明內容
本發明的目的是提出了一種探測中層頂區域鐵層的高功率鐵共振螢光雷射雷達，在保證鐵雷射雷達發射系統在操作、維護上方便並且價格便宜的基礎上，提高雷射的單脈衝能量，有效地進行鐵層的常規探測。該雷射雷達由發射單元、接收單元以及信號檢測和控制單元等三部分組成，其中發射單元是用來產生鐵原子的共振螢光所需要的372nm波長雷射的部分，目的是產生雷射脈衝並將其發射到空中，使其與大氣中的物質相互作用，產生後向散射回波。接收單元用於收集回波信號，並濾除背景噪聲。信號檢測和控制單元主要實現光電轉換、光子計數、數據存儲以及反射平臺的調整等功能。
為了實現上述目的，本發明提供的技術方案是高功率鐵共振螢光雷射雷達，該雷射雷達由發射單元、接收單元以及信號檢測和控制單元等三部分組成，其特徵在於發射單元由種子雷射器、Nd:YAG雷射器、染料雷射器、混頻系統以及電動反射平臺組成；種子雷射器產生線寬極窄的弱基頻光，通過全反射鏡耦合到Nd:YAG雷射器的諧振腔內；諧振腔產生的1064nm基頻光經兩級放大後進入倍頻晶體(SHG)倍頻，產生的532nm倍頻光輸入到染料雷射器；在染料雷射器內532nm雷射分為三部分，分別作為染料雷射器的振蕩級和兩個放大級的泵浦光源，染料溶液採用諾丹明系列的R590與R610混合溶液來得到572nm的輸出波長；然後，由染料雷射器產生的572nm雷射與Nd:YAG雷射器經過倍頻後剩餘的1064nm基頻光輸入到光混頻系統，兩束光路進行光路補償後，通過KDP混頻晶體進行混頻；最終，得到單脈衝能量大於35mJ的372nm雷射；R590與R610混合溶液在振蕩級中的濃度按4.0-5.8∶1的重量比例配製，放大級中的濃度按1.0-1.5∶1的重量比例配製。
如上所述的高功率鐵共振螢光雷射雷達，其特徵在於R590與R610混合溶液在振蕩級中的濃度按5∶1的重量比例配製，放大級中的濃度按1.25∶1的重量比例配製。可使單脈衝能量達到48-50mJ。
如上所述的高功率鐵共振螢光雷射雷達，其特徵在于波長鎖定系統由分束鏡、耦合光纖、波長測量裝置和染料雷射器的控制系統組成，耦合光纖將混頻系統輸出後、通過分束鏡來的光耦合到波長測量裝置中進行測量，測量結果反饋到染料雷射器的控制系統，控制系統根據混頻系統輸出的雷射波長偏離鐵共振螢光線的大小和方向，自動調整染料雷射器諧振腔內光柵的位置。可使波長的波動在±0.1pm範圍內。
如上所述的高功率鐵共振螢光雷射雷達，其特徵在於反射1064nm波長雷射的反射鏡4的反射率為45％。可以獲得最佳的光混頻效率。
為了獲得合理、可靠的探測結果，要求雷射單脈衝能量儘可能提高。
為了實現窄線寬輸出，我們採用種子注入模式，即由種子雷射器產生線寬極窄的弱基頻光，通過全反射鏡耦合到Nd:YAG雷射器的諧振腔內，在往返傳輸過程中迅速變為最鄰近的模式並不斷增強至佔絕對優勢而抑制其它模式，從而實現單一模式的雷射輸出。諧振腔產生的1064nm基頻光經兩級放大後進入倍頻晶體(SHG)倍頻，產生的532nm倍頻光輸入到染料雷射器。在染料雷射器內532nm雷射分為三部分，分別作為染料雷射器的振蕩級和兩個放大級的泵浦光源，染料溶液採用諾丹明系列的R590與R610混合溶液來得到572nm的輸出波長。然後，由染料雷射器產生的572nm雷射與Nd:YAG雷射器經過倍頻後剩餘的1064nm基頻光輸入到光混頻系統，兩束光路進行光路補償後，通過KDP混頻晶體進行混頻。最終，得到線寬為1.8GHz、單脈衝能量為48-50mJ、脈寬為7ns的372nm雷射。由於染料雷射器的輸出能量與染料的濃度以及泵浦能量有關，當泵浦能量一定的情況下，染料濃度過低或者染料濃度過高都會導致輸出能量減少，當採用兩種染料混合獲得特定波長的雷射時，選擇兩種染料的比例以及振蕩級和放大級的濃度可以使輸出能量達到較好的值。本發明採用532nm雷射泵浦諾丹明590(R590)與610(R610)按照特定比例配製的染料溶液，獲得的372nm雷射單脈衝能量為48-50mJ，這是目前鐵共振螢光雷射雷達中採用光混頻技術獲得372nm雷射單脈衝能量最高的技術。表1是本發明實現高能量輸出的染料雷射器的振蕩級和放大級所用染料溶液裡R590與R610濃度。單用R590或者R610一種染料是很難達到在相同的泵浦能量情況下產生如此高的單脈衝能量。如雷射器的生產廠商美國Continuum公司提供的372nm波長的雷射單脈衝能量也只有35mJ，這已經是相同的泵浦能量下採用R590單一染料所能達到的最佳單脈衝能量。
此外雷射的波長穩定性也有嚴格的要求，即在探測過程中波長變化不能大於±0.5pm，而提高雷射的波長穩定性也有助於獲得合理、可靠的探測結果。本發明也實現了鐵雷射雷達對波長的自動鎖定，使得波長的波動在±0.1pm範圍內，優於Arecibo觀測站的±0.3pm。經波長鎖定後的雷射束通過計算機控制的電動反射平臺垂直反射到大氣中去，光束指向解析度優於0.01mrad。
雷射雷達的接收系統由接收望遠鏡，後置光路，窄帶濾光器組成。接收望遠鏡用於收集雷射雷達回波信號光。我們採用的是1米有效孔徑的卡塞格林式望遠鏡，整個望遠鏡由拋物面主鏡和雙曲面副鏡組成，主鏡固定不動，副鏡可由電機驅動上下運動以調整系統焦面高低，系統光軸指向天頂方向。在系統焦點處設置一小孔光闌，以控制望遠鏡的接收視場，之後用鍍紫外高透膜的一組準直透鏡將光束變換為平行光再通過窄帶幹涉濾光片，然後送往光電倍增管進行光電轉換。
信號檢測和控制單元主要實現光電轉換、光子計數、數據存儲以及反射平臺的調整和染料雷射器諧振腔內光柵的位置調整等功能。通過控制光子計數器和高精度電動反射平臺，我們已經實現了數據採集與光路調節的自動化進行。
圖1為本發明實施例的鐵共振螢光雷射雷達工作原理圖。
圖2是本發明實施例的R590與R610混合溶液比例表。
具體實施例方式
本發明的關鍵在於採用固體雷射器的二倍頻雷射泵浦按一定比例配製的R590和R610混合染料體系，以及採用波長自動鎖定技術獲得了雷射單脈衝能量為48-50mJ、脈寬為7ns、波長的變化為±0.1pm的雷射光束，是目前鐵雷射雷達中採用光混頻方式所得到372nm雷射波長中各項指標為最高的。
本發明的雷射雷達系統由三部分組成，即發射單元、接收單元以及信號檢測和控制單元。如附圖1。
發射單元由種子雷射器、Nd:YAG雷射器、染料雷射器、光混頻系統、波長鎖定系統以及光反射平臺組成。Nd:YAG雷射器採用美國Continuum公司的POWERLITE9020雷射器。首先，種子雷射器產生線寬極窄的弱基頻光，通過反射鏡1、反射鏡2耦合到Nd:YAG雷射器內，經過線寬壓縮後的1064nm基頻光經兩級放大後進入倍頻晶體倍頻，產生的532nm倍頻光。然後通過532nm高反1064nm高透的分色鏡，532nm二倍頻光輸入到染料雷射器，在染料雷射器內532nm雷射分為三部分，分別作為染料雷射器的振蕩級和兩個放大級的泵浦光源，染料溶液採用諾丹明系列的R590與R610混合溶液，R590與R610混合溶液在振蕩級中的濃度按4.0-5.8∶1的重量比例配製，放大級中的濃度按1.0-1.5∶1的重量比例配製，當泵浦能量變化時，濃度比稍微變化即可。然後，然後將染料雷射器產生的572nm雷射與Nd:YAG雷射器經過倍頻後剩餘的1064nm基頻光經過補償器以及反射鏡3和反射鏡4後一起輸入到光混頻系統，在KDP混頻晶體進行混頻，最終得到單脈衝能量大於35mJ的372nm雷射；當振蕩級中R590與R610按5∶1的比例配製，放大級中R590與R610的濃度按1.25∶1的比例配製，最終得到單脈衝能量為48-50mJ的372nm雷射。其中補償器和反射鏡4的作用主要是保證染料雷射器產生的572nm雷射與倍頻後剩餘的1064nm基頻光在KDP晶體內進行混頻時滿足相位匹配條件，即待混頻的兩束光不僅在空間上充分重疊，並在時間上達到同步。然後，將光束通過透過率為99％、反射率為1％的分束鏡，其中透過部分通過計算機控制的電動調整平臺將光束垂直反射到大氣中去，發射部分光束經過芯徑Φ50μm的單模光纖耦合到波長測量裝置中進行測量，測量結果反饋到染料雷射器的控制系統(即圖1中信號檢測與控制部分的計算機)，控制系統根據混頻系統輸出的雷射波長偏離鐵共振螢光線的大小和方向，自動調整染料雷射器諧振腔內光柵的位置，從而保證混頻系統輸出雷射波長在鐵共振螢光所需要的波長範圍內，並且在觀測期間的波長波動在±0.1pm間變化。經波長鎖定後的雷射束通過計算機控制的電動反射平臺垂直反射到大氣中去。
接收系統由望遠鏡、採用1米有效孔徑的卡塞格林式望遠鏡，整個望遠鏡由拋物面主鏡和雙曲面副鏡組成，主鏡固定不動，副鏡可由電機驅動上下運動以調整系統焦面高低，系統光軸指向天頂方向。在系統焦點處設置一小孔光闌，光闌大小在0.8-12mm可調，以控制望遠鏡的接收視場，之後用一組準直透鏡將光束變換為平行光再通過中心波長為372nm，帶寬為4.0nm，透過率為47％的幹涉濾光片，然後送往光電倍增管進行光電轉換。信號檢測和控制單元包括光電倍增管、前置放大器、多通道光子計數器以及計算機組成。其中光電倍增管採用日本HAMAMATSU公司的側窗型光電倍增管，光譜響應範圍為185-850nm，9極倍增，工作電壓最大值1250V，增益為3.5×106，上升時間為2.2ns，在372nm波段其量子效率約為26％。光電倍增管的輸出脈衝經過前置放大器放大後，再經過多通道光子計數器SR430對快速變化的回波信號進行多次的採樣和累加，最後可得到雷射雷達的原始回波數據，最後通過RS232串口將數據上傳到計算機進行計算、存儲。
權利要求
1.高功率鐵共振螢光雷射雷達，該雷射雷達由發射單元、接收單元以及信號檢測和控制單元等三部分組成，其特徵在於發射單元由種子雷射器、Nd:YAG雷射器、染料雷射器、混頻系統以及電動反射平臺組成；種子雷射器產生線寬極窄的弱基頻光，通過全反射鏡耦合到Nd:YAG雷射器的諧振腔內；諧振腔產生的1064nm基頻光經兩級放大後進入倍頻晶體SHG倍頻，產生的532nm倍頻光輸入到染料雷射器；在染料雷射器內532nm雷射分為三部分，分別作為染料雷射器的振蕩級和兩個放大級的泵浦光源，染料溶液採用諾丹明系列的R590與R610混合溶液來得到572nm的輸出波長；然後，由染料雷射器產生的572nm雷射與Nd:YAG雷射器經過倍頻後剩餘的1064nm基頻光輸入到光混頻系統，兩束光路進行光路補償後，通過KDP混頻晶體進行混頻；最終，得到單脈衝能量大於35mJ的372nm雷射；R590與R610混合溶液在振蕩級中的濃度按4.0-5.8∶1的重量比例配製，放大級中的濃度按1.0-1.5∶1的重量比例配製。
2.如權利要求1所述的高功率鐵共振螢光雷射雷達，其特徵在於R590與R610混合溶液在振蕩級中的濃度按5∶1的重量比例配製，放大級中的濃度按1.25∶1的重量比例配製。
3.如權利要求1或2所述的高功率鐵共振螢光雷射雷達，其特徵在于波長鎖定系統由分束鏡、耦合光纖、波長測量裝置和染料雷射器的控制系統組成，耦合光纖將混頻系統輸出後、通過分束鏡來的光耦合到波長測量裝置中進行測量，測量結果反饋到染料雷射器的控制系統，控制系統根據混頻系統輸出的雷射波長偏離鐵共振螢光線的大小和方向，自動調整染料雷射器諧振腔內光柵的位置。
4.如權利要求1或2所述的高功率鐵共振螢光雷射雷達，其特徵在於反射1064nm波長雷射的反射鏡4的反射率為45％。
5.如權利要求3所述的高功率鐵共振螢光雷射雷達，其特徵在於反射1064nm波長雷射的反射鏡4的反射率為45％。
全文摘要
本發明公開了一種高功率鐵共振螢光雷射雷達，是目前國際上採用光混頻技術獲得單脈衝能量最高的鐵雷射雷達系統。該雷射雷達由發射單元、光學接收單元和信號檢測與控制單元組成，發射單元採用種子注入方式壓縮雷射線寬，實現窄線寬輸出，將線寬壓縮後的1064nm基頻光通過二倍頻後產生的532nm倍頻光泵浦由R590和R610兩種染料按特定比例配製的混合溶液，產生572nm的雷射，將572nm的雷射與經過倍頻後的剩餘1064nm基頻光經光路補償後在KDP晶體內進行混頻，產生線寬為1.8GHz、單脈衝能量高達48mJ的372nm紫外雷射；通過計算機自動控制染料雷射器的諧振腔實現波長的自動鎖定。本發明不僅可探測中層頂區域(80－110km)的鐵層結構，而且可實現30－80km大氣溫度、密度等大氣主要參量的探測。
文檔編號G01N21/17GK1865933SQ200610019429
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月21日 優先權日2006年6月21日
發明者易帆, 張紹東, 餘長明, 何裕金, 嶽顯昌, 張雲鵬, 周軍, 黃春明 申請人:武漢大學