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水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀，包括小孔光闌、平凹反射鏡、平面衍射光柵和矩形反射鏡等。該光譜儀可以通過對(duì)平凹反射鏡、平面衍射光柵和矩形反射鏡的角度和位置的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)水汽Raman激光雷達(dá)回波信號(hào)中氮?dú)夂退駝?dòng)拉曼散射信號(hào)的高精度提取。本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且易于調(diào)節(jié)，可以滿足水汽Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)大氣水汽時(shí)空分布的高效率探測(cè)。
【專利說明】水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀，具體是涉及將利用衍射光柵的分光性能，建立水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)水汽Raman激光雷達(dá)回波信號(hào)的接收。
【背景技術(shù)】
[0002]水汽是大氣溫度變化范圍內(nèi)唯一可以發(fā)生相變的成分，在天氣過程，氣候變化，地氣系統(tǒng)的能量交換等過程中具有極其重要的作用。因此，水汽含量的檢測(cè)對(duì)大氣環(huán)境和人類生產(chǎn)活動(dòng)都具有十分重要的意義。
[0003]Raman激光雷達(dá)技術(shù)自20世紀(jì)60年代發(fā)展起來，它具有很高的時(shí)空分辨率，并且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，成為近年來水汽探測(cè)的有效工具之一。該技術(shù)利用大氣分子如氮?dú)?N2)、水汽(H2O)的拉曼散射效應(yīng),根據(jù)大氣分子與特定散射光強(qiáng)度之間的相互依存特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣中水汽的探測(cè)和研究。國內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)對(duì)水汽Raman激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并取得了一系列的進(jìn)展。
[0004]水汽Raman激光雷達(dá)可以用來獲得大氣中的水汽混合比時(shí)空分布廓線、氣溶膠消光系數(shù)、后向散射系數(shù)、激光雷達(dá)比等一系列大氣參數(shù)。對(duì)于激光雷達(dá)而言，回波信號(hào)中包含多個(gè)波長信號(hào)，因此如何將各個(gè)波長的回波信號(hào)分離并分別采集成為Raman激光雷達(dá)技術(shù)的關(guān)鍵。
[0005]由于大氣分子的Rayleigh-Mie散射信號(hào)比Raman散射信號(hào)強(qiáng)幾個(gè)數(shù)量級(jí),所以Rayleigh-Mie散射信號(hào)對(duì)Raman信號(hào)的干擾是必須考慮的因素，因此水汽Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)要求對(duì)Rayleigh-Mie散射信號(hào)的抑制率高于10_7量級(jí)，所以在水汽Raman激光雷達(dá)系統(tǒng)中必須使用性能優(yōu)異的高分辨率的分光系統(tǒng)來分離和提取大氣回波中的拉曼散射信號(hào)，同時(shí)較強(qiáng)得抑制Rayleigh-Mie散射回波的信號(hào)。
[0006]目前，水汽Raman激光雷達(dá)常用的分光系統(tǒng)主要利用濾光片、三棱鏡、Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具和原子濾波器等。由各種濾波片組成的分光系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，其主要優(yōu)點(diǎn)有:結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定，缺點(diǎn)是濾光片結(jié)構(gòu)難以抑制相近波長間的干擾，因此對(duì)于多波長激光雷達(dá)，濾光片分光系統(tǒng)透過率較低，同時(shí)容易降低回波信號(hào)的利用率；三棱鏡分光時(shí)容易在棱鏡側(cè)面上發(fā)生全發(fā)射現(xiàn)象從而造成較強(qiáng)的雜散光fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具和原子濾波器等分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常不用于紫外分光。
[0007]所以，提供一種可以在微弱光信號(hào)中實(shí)現(xiàn)拉曼散射信號(hào)的分離和提取的高靈敏度水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀實(shí)為必要。
[0008]由于進(jìn)入水汽Raman激光雷達(dá)分光系統(tǒng)的米散射以及Raman散射信號(hào)波長包括355.0,386.7和407.8nm,同時(shí)由于白天太陽背景光也會(huì)對(duì)回波信號(hào)噪聲干擾，因此我們需要采用一種合理的分光系統(tǒng)，可以充分抑制太陽背景光的干擾，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)波長的回波信號(hào)的分光。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是可以在微弱光信號(hào)中實(shí)現(xiàn)對(duì)拉曼散射回波信號(hào)的分離和提取，同時(shí)可以充分抑制白天探測(cè)時(shí)強(qiáng)烈的太陽光對(duì)水汽Raman激光雷達(dá)回波信號(hào)的干擾。
[0010]本發(fā)明技術(shù)解決方案:水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀，包括:小孔光闌1、平凹反射鏡2、平面衍射光柵3和第一矩形反射鏡4、第二矩形反射鏡5、第三矩形反射鏡6。所述小孔光闌1、平凹反射鏡2、平面衍射光柵3和第一矩形反射鏡4、第二矩形反射鏡5、第三矩形反射鏡6必須有相同的同心高；所述小孔光闌I限制了 Raman水汽激光雷達(dá)回波信號(hào)光束的孔徑；所述平凹反射鏡2將從小孔光闌I入射進(jìn)來的光信號(hào)反射到平面衍射光柵3上面，為了提高平面衍射光柵3的利用率，平凹反射鏡2反射到平面衍射光柵3上的是一個(gè)發(fā)散光斑；所述平面衍射光柵3使從平凹反射鏡2反射過來光束發(fā)生色散，并根據(jù)入射光束波長不同(355nm、386.7nm、407.8nm)以不同的方向發(fā)射出去；所述的第一矩形反射鏡4、第二矩形反射鏡5和第三矩形反射鏡6分別接收由平面衍射光柵3反射回來的不同波長的光(355nm、386.7nm、407.8nm)，分別將它們反射到出光口 1、出光口 2、出光口 3。
[0011]所述的小孔光闌1、平凹反射鏡2、平面衍射光柵3和第一矩形反射鏡4、第二矩形反射鏡5、第三矩形反射鏡6必須具有相同的同心高。
[0012]所述小孔光闌I限制了入射光束的孔徑，使之與水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀的F數(shù)相匹配。
[0013]所述平凹反射鏡2，鏡面鍍膜，使鏡面反射率大于98%，提高入射光束的利用率，同時(shí)使光束聚焦在小孔光闌與平凹反射鏡之間，且其特性對(duì)溫度、濕度、壓力等環(huán)境變化不敏感?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)平凹反射鏡的機(jī)械裝置來精密調(diào)節(jié)平凹反射鏡的角度和距離小孔光闌的距離，以滿足不同實(shí)際情況下測(cè)量的需要。其角度調(diào)節(jié)誤差小于0.1°。
[0014]所述平面衍射光柵3，每微米的光柵條數(shù)為5，衍射級(jí)數(shù)為1，反射的波長范圍為200?420nm，光柵的分辨率為0.lnm，且其特性對(duì)溫度、濕度、壓力等環(huán)境變化不敏感，同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)平面衍射光柵的機(jī)械裝置來精密調(diào)節(jié)平面衍射光柵的角度與距平凹反射鏡的距離，以滿足不同實(shí)際情況下測(cè)量的需要。其角度調(diào)節(jié)誤差小于0.1°。
[0015]所述第一矩形反射鏡4、第二矩形反射鏡5和第三矩形反射鏡6，鏡面鍍膜，鏡面反射率大于98%，使出射光束在出光口處聚焦，且其特性對(duì)溫度、濕度、壓力等環(huán)境變化不敏感。同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)矩形反射鏡的機(jī)械裝置來精密調(diào)節(jié)矩形鏡的角度和距離平面衍射光柵的距離，以滿足不同實(shí)際情況下測(cè)量的需要。其角度調(diào)節(jié)誤差小于0.1°。
[0016]所述出光口 1、出光口 2和出光口 3在一個(gè)平面上。
[0017]所述小孔光闌1、平凹反射鏡2、平面衍射光柵3和第一矩形反射鏡4、第二矩形反射鏡5、第三矩形反射鏡6必須封裝在黑色的暗箱之中，使水汽Raman激光雷達(dá)紫外分辨率光柵光譜儀不受外界雜散光的干擾。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有的水汽Raman雷達(dá)分光系統(tǒng)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0019](I)本發(fā)明中使用的平面衍射光柵、平凹反射鏡和矩形反射鏡對(duì)溫度、濕度、壓力等環(huán)境變化不敏感，從而大大提高了水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀的長期穩(wěn)定性。
[0020](2)本發(fā)明的光譜分辨率為0.lnm，具有高光譜分辨率，對(duì)波長(355nm、386.7nm和407.8nm)的選擇性好，特別適合多波長、多通道光信號(hào)探測(cè)。
[0021 ] ( 3 )本發(fā)明光通量大，效率高，能量損失小，適合微弱信號(hào)探測(cè)。
[0022](4)本發(fā)明帶外抑制能力大大增強(qiáng)，抗雜散光干擾，使用于白天強(qiáng)背景噪聲下Raman回波信號(hào)的探測(cè)。
[0023](5)本發(fā)明的激光回波信號(hào)可通過光纖耦合進(jìn)入紫外高分辨率光柵光譜儀，相對(duì)已有的雷達(dá)分光系統(tǒng)，光學(xué)設(shè)計(jì)更為靈活。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0026]如圖1所示，雷達(dá)望遠(yuǎn)鏡接收到的待分離的回波信號(hào)經(jīng)小孔光闌1，入射光束的孔徑受到限制，并與光柵光譜儀的F數(shù)相匹配；從小孔光闌I出射的光束水平入射到平凹反射鏡2，平凹反射鏡2將光束反射到平面衍射光柵3，在平面衍射光柵3上形成一個(gè)發(fā)散的光斑(提高光柵的利用效率)，入射到平面衍射光柵3的光束將發(fā)生衍射色散。光束衍射時(shí)，遵循光柵方程:dsin0 =kA仏=0，±1，±2...)，式中(1為光柵常數(shù)，入為入射波長，1^為衍射級(jí)次，Θ為衍射角。由衍射方程可知，當(dāng)光柵常數(shù)d—定時(shí)，衍射角隨入射波長的不同而不同。當(dāng)平凹反射鏡2反射回來的含有多種波長成分(355nm、386.7nm和407.8nm)的復(fù)合光入射到平面衍射光柵 3表面時(shí)，平面衍射光柵3根據(jù)光柵方程將入射光以不同的衍射角反射出去。依次調(diào)節(jié)第一矩形反射鏡4、第二矩形反射鏡5和第三矩形反射鏡6的機(jī)械裝置，使之分別接收來自不同角度的光束，其中，第一矩形反射鏡4接收355nm的光束，將其反射到出光口 1，光束焦點(diǎn)會(huì)聚到出光口 I ;第二矩形反射鏡5接收386.7nm的光束，將其反射到出光口 2，光束焦點(diǎn)會(huì)聚到出光2 ;第三矩形反射鏡6接收407.8nm的光束，將其反射到出光口 3，光束焦點(diǎn)會(huì)聚到出光口 3。然后利用出光口 1、出光口 2和出光口 3處安裝的光電倍增管分別探測(cè)出355nm、386.7nm和407.8nm回波信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度。
[0027]本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識(shí)。
【權(quán)利要求】
1.一種水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀，其特征在于包括:小孔光闌(I)、平凹反射鏡(2)、平面衍射光柵(3)和第一矩形反射鏡(4)、第二矩形反射鏡(5)、第三矩形反射鏡(6);所述小孔光闌(I)、平凹反射鏡(2)、平面衍射光柵(3)和第一矩形反射鏡(4)、第二矩形反射鏡(5)、第三矩形反射鏡(6)必須有相同的同心高；所述小孔光闌(I)限制了 Raman水汽激光雷達(dá)回波信號(hào)光束的孔徑；所述平凹反射鏡(2)將從小孔光闌(I)入射進(jìn)來的光信號(hào)反射到平面衍射光柵(3)上面，為了提高平面衍射光柵(3)的利用率，平凹反射鏡(2)反射到平面衍射光柵(3)上的是一個(gè)發(fā)散光斑；所述平面衍射光柵(3)使從平凹反射鏡(2)反射回來的含有多種波長(355nm、387.6nm和408.7nm)的復(fù)合光束發(fā)生色散，并根據(jù)入射光束波長不同以不同的角度反射出去；所述的第一矩形反射鏡(4)、第二矩形反射鏡(5)和第三矩形反射鏡(6)分別接收由平面衍射光柵(3)反射回來的不同波長的光，分別將它們反射到出光口 1、出光口 2、出光口 3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀，其特征在于:所述小孔光闌(I)、平凹反射鏡(2)、平面衍射光柵(3)和第一矩形反射鏡(4)、第二矩形反射鏡(5 )、第三矩形反射鏡(6 )具有相同的同心高。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀，其特征在于:所述小孔光闌(I)限制了入射光束的孔徑，使之與水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀的F數(shù)相匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀，其特征在于:所述平凹反射鏡，鏡面鍍膜，使鏡面反射率大于98%，提高入射光束的利用率，使光束聚焦在小孔光闌與平凹反射鏡之間，且其特性對(duì)溫度、濕度、壓力等環(huán)境變化不敏感；同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)平凹反射鏡的機(jī)械裝置來精密調(diào)節(jié)平凹反射鏡的角度和與小孔光闌的距離，以滿足不同實(shí)際情況下測(cè)量的需要，角度調(diào)節(jié)誤差小于0.1°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀，其特征在于:所述平面衍射光柵每微米的光柵條數(shù)為5，衍射級(jí)數(shù)為1，反射的波長范圍為200?420nm，光柵的分辨率為0.lnm，且其特性對(duì)溫度、濕度、壓力等環(huán)境變化不敏感。同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)平面衍射光柵的機(jī)械裝置精密來調(diào)節(jié)平面衍射光柵的角度與距平凹反射鏡的距離，以滿足不同實(shí)際情況下測(cè)量的需要，角度調(diào)節(jié)誤差小于0.1°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀，其特征在于:所述第一矩形反射鏡(4)、第二矩形反射鏡(5)和第三矩形反射鏡(6)的鏡面鍍膜，鏡面反射率大于98%，使出射光束在出光口處聚焦，同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)矩形反射鏡的機(jī)械裝置來精密調(diào)節(jié)矩形鏡的角度和距離平面衍射光柵的距離，以滿足不同實(shí)際情況下測(cè)量的需要，且其特性對(duì)溫度、濕度、壓力等環(huán)境變化不敏感。其角度調(diào)節(jié)誤差小于0.1°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀，其特征在于:所述出光口 1、出光口 2和出光口 3在一個(gè)平面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水汽Raman激光雷達(dá)紫外高分辨率光柵光譜儀，其特征在于:所述小孔光闌(I)、平凹反射鏡(2)、平面衍射光柵(3)和第一矩形反射鏡(4)、第二矩形反射鏡(5)和第三矩形反射鏡(6)封裝在黑色的暗箱之中，使水汽Raman激光雷達(dá)紫外分辨率光柵光譜儀不受外界雜散光的干擾。
【文檔編號(hào)】G01N21/65GK103698313SQ201310751355
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】張?zhí)焓? 王歡雪, 劉文清, 劉建國, 方武, 范廣強(qiáng), 董云升, 陸亦懷 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院