一种探测大气水汽的微脉冲差分吸收激光雷达的发射机制造技术

本发明专利技术公开了一种探测大气水汽的微脉冲差分吸收激光雷达的发射机，DFB半导体连续波激光基准单元形成连续波激光稳定的波长基准，DFB半导体连续波激光on单元和DFB半导体连续波激光off单元经过2

【技术实现步骤摘要】
一种探测大气水汽的微脉冲差分吸收激光雷达的发射机


[0001]本专利技术涉及一种大气水汽垂直廓线的光学遥感器，更涉及大气水汽垂直廓线探测的差分吸收激光雷达，特别涉及到微脉冲差分吸收激光雷达的发射机。

技术介绍

[0002]720nm-730nm波段最有代表性的差分吸收激光雷达，当属法国科学家Didier Bruneau等研制的机载差分吸收激光雷达LEANDRE-II，可以探测对流层下半部分水汽混合比的垂直廓线，发射机是一个闪光灯泵浦的Alexandrite激光器，双脉冲工作，双波长都位于727nm～736nm光谱范围内。激光脉冲能量50mJ，脉冲重复频率10Hz，线宽为2.4
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cm-1
，光谱纯度大于99.99％，双脉冲发射之间时间间隔50μs。LEANDRE-II差分吸收激光雷达的一个特征是，发射波长由高精度波长计实时监测，此波长计由稳定632.991372nm的氦-氖激光器(型号Hewlett-Packard 5517B)为其提供基准而进行标定，使其绝对精度在5
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10-3
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以内。
[0003]大气水汽在817nm-820nm波段也有合适的吸收谱线，钛宝石在该波段有较高的增益系数，所以德国Hohenheim大学的Gerd Wagner等科学家，在该波段开发了车载的、三维扫描的、基于钛宝石激光器作为发射机的差分吸收激光雷达，用以探测下对流层大气水汽分布。动态稳定的、环形谐振腔，包括布儒斯特切角钛宝石(Ti:sapphire)晶体，两边以二极管泵浦的Nd:YAG激光器二倍频(532nm)泵浦。脉冲重复频率250Hz，脉冲能量27mJ。谐振腔采取种子注入和相敏检波的主动稳定技术。该型号(UHOH DIAL)差分吸收激光雷达一个特征，也采用了高精度波长计(型号WS7，HighFinesse/Angstrom)作为波长控制环的误差测量装置，一个稳频的氦-氖激光器(SL 03，SIOS Messtechnik GmbH)被作为波长计的参照基准。
[0004]1998年之后，G.Ehret等德国DLR(Deutsches Zentrumf
ü
r Luft-und Raumfahrt)的科学家，就报导了他们开发了种子注入的Nd:YAG激光器的二倍频532nm脉冲泵浦KTP非线性晶体组成的光参量振荡器。在935nm附近输出单纵模、窄线宽的脉冲激光，用差分吸收激光雷达探测大气水汽廓线，不仅泵浦Nd:YAG激光器用种子注入，光参量振荡器的谐振腔也用连续波半导体激光种子注入，这个波段水汽的吸收线比较强，因此更适合机载飞行试验探测，更有利于对流层上半部分和平流层底部相对干燥区域的大气水汽探测。此波段的差分吸收激光雷达(WALES)也是采用了高精度波长计(型号High Finesse WS7)作为其种子激光器波长控制环的误差测量装置，波长计的参照基准为水汽自身多通道吸收池(型号New Focus 5612，有效长度100m，纯净水蒸气压力1200Pa)的强吸收谱线(935.607nm附近)。脉冲能量45mJ，脉冲重复频率100Hz。
[0005]对探测大气水汽的差分吸收激光雷达发射机而言，探测波长的稳定单元是其关键组成部分。当代正在发展和运行的水汽的差分吸收激光雷达，有一个共同的特征，波长的稳定单元都用到负反馈控制环，而负反馈主动控制环的误差测量装置都用到附带波长基准的、昂贵的高精度波长计。这一装置使得水汽的差分吸收激光雷达的组成成本显著增加。上述差分激光雷达发射机都采用低重复频率(50Hz以内)、高脉冲能量(数十毫焦以上)的激光
器，激光脉冲的高峰值功率具有伤害人眼的风险，也使得激光器的体积(携带水冷系统)和功耗都很高，这也是差分吸收激光雷达成本高的原因之一。正是由于成本高，探测大气水汽的差分吸收激光雷达至今也没有得到普及使用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种探测大气水汽的微脉冲差分吸收激光雷达的发射机，解决现有发射机中存在的两个方面问题：波长的稳定单元当中采用附带波长基准的、昂贵的高精度波长计，显著增加了系统成本；发射脉冲的峰值功率很大，使得人眼安全风险和功耗很高。
[0007]本专利技术的发射机包括:DFB半导体连续波激光基准单元1，DFB半导体连续波激光on单元2，DFB半导体连续波激光off单元3，on/off选通开关4，声光调制器5，Raman光纤放大器6，二倍频器7，Raman光纤放大器的泵浦光源8。
[0008]DFB半导体连续波激光基准单元1形成连续波激光稳定的波长基准，DFB半导体连续波激光on单元2当中的DFB半导体连续波激光的on波长和DFB半导体连续波激光基准单元1当中这个基准波长保持着长期稳定的波长差0.04nm，DFB半导体连续波激光off单元3当中的DFB半导体连续波激光的off波长和DFB半导体连续波激光基准单元1当中这个稳定的基准波长保持着长期稳定的波长差0.140nm。DFB半导体连续波激光on单元2和DFB半导体连续波激光off单元3经过on/off开关4的2
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1选通，分别被声光调制器5斩波成为重复频率10kHz量级，脉冲宽度1μs以内的脉冲激光，此小能量的脉冲激光再经过Raman光纤放大器6提高单脉冲能量；能量被Raman光纤放大器6提高之后的脉冲激光，再由二倍频器7转换成825.5
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0.25nm的脉冲激光，最终脉冲激光能量达10μJ量级。其中，Raman光纤放大器的泵浦源8由1540nm附近的大功率半导体激光器担任。
[0009]水汽在825-826nm之间有合适的吸收线，比如差分吸收水汽的探测波长(On-line)选择为825.499nm，参考波长(Off-line)为825.599nm，直接建立825-826nm激光波长的主动稳定控制环，有较大困难；改为间接建立它们的双倍1650-1652nm激光波长的主动稳定控制环。
[0010]所述的DFB半导体连续波激光基准单元1将第一个单纵模、连续波DFB半导体激光器的波长锁定在甲烷的1650.958nm光谱吸收线上。单元包括第一DFB半导体激光器1-1、第一耦合器1-2、第二耦合器1-3、相位调制器1-4、甲烷气体分子吸收池1-5、探测器1-6、第一混频器1-7、第一低通滤波器1-8、模/数转换器1-9、第一微处理器1-10、第一数/模转换器1-11、第一DFB半导体激光器的注入电流和工作温度控制器1-12。第一DFB半导体激光器1-1受到相位调制器1-4的调制，当第一DFB半导体激光器1-1波长等于甲烷气体分子吸收线中心波长时，第一数/模转换器1-11输出的误差信号为0.0；一旦当第一DFB半导体激光器1-1波长偏离甲烷气体分子吸收线中心波长时，第一低通滤波器1-8输出直流信号，此直流信号经过模/数转换器1-9、第一微处理器1-10、第一数/模转换器1-11之后，输出补偿信号，调节第一DFB半导体激光器的控制器1-12的注入电流和工作温度，使其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种探测大气水汽的微脉冲差分吸收激光雷达的发射机，包括DFB半导体连续波激光基准单元(1)，DFB半导体连续波激光on单元(2)，DFB半导体连续波激光off单元(3)，on/off选通开关(4)，声光调制器(5)，Raman光纤放大器(6)，二倍频器(7)，Raman光纤放大器的泵浦光源(8)；其特征在于：所述的DFB半导体连续波激光基准单元(1)形成连续波激光稳定的波长基准，DFB半导体连续波激光on单元(2)当中的DFB半导体连续波激光的on波长和DFB半导体连续波激光基准单元(1)当中这个基准波长保持着长期稳定的波长差0.04nm，DFB半导体连续波激光off单元(3)当中的DFB半导体连续波激光的off波长和DFB半导体连续波激光基准单元(1)当中这个稳定的基准波长保持着长期稳定的波长差0.140nm；DFB半导体连续波激光on单元(2)和DFB半导体连续波激光off单元(3)经过on/off选通的2
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1开关(4)，分别被声光调制器(5)斩波成为重复频率10kHz量级，脉冲宽度1μs以内的脉冲激光，此小能量的脉冲激光再经过Raman光纤放大器(6)提高单脉冲能量；能量被Raman光纤放大器(6)提高之后的脉冲激光，再由二倍频器(7)转换成825.5
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0.25nm的脉冲激光，最终脉冲激光能量达10μJ量级；其中，Raman光纤放大器的泵浦源8由1540nm附近的大功率半导体激光器担任。2.根据权利要求1所述的一种探测大气水汽的微脉冲差分吸收激光雷达的发射机，其特征在于：所述的DFB半导体连续波激光基准单元(1)将第一个单纵模、连续波DFB半导体激光器的波长锁定在甲烷的1650.958nm光谱吸收线上；单元包括第一DFB半导体激光器(1-1)、第一耦合器(1-2)、第二耦合器(1-3)、相位调制器(1-4)、甲烷气体分子吸收池(1-5)、探测器(1-6)、第一混频器(1-7)、第一低通滤波器(1-8)、模/数转换器(1-9)、第一微处理器(1-10)、第一数/模转换器(1-11)、第一DFB半导体激光器的注入电流和工作温度控制器(1-12)等部分。第一DFB半导体激光器(1-1)受到相位调制器(1-4)的调制，当第一DFB半导体激光器(1-1)波长等于甲烷气体分子吸收线中心波长时，第一数/模转换器(1-11)输出的误差信号为0.0；一旦当第一DFB半导体激光器(1-1)波长偏离甲烷气体分子吸收线中心波长时，第一低通滤波器(1-8)输出直流信号，此直流信号经过模/数转换器(1-9)、第一微处理器(1-10)、第一数/模转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪光烈，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：