一种前端扩束的臭氧激光雷达发射系统及激光发射方法技术方案

本发明专利技术涉及大气臭氧探测领域，尤其是一种前端扩束的臭氧激光雷达发射系统及激光发射方法。该系统主要包括激光发射器，所述激光发射器用于发射原始波长的激光束；波长转换器，所述波长转换器用于将所述原始波长的激光束转化为目标波长的激光束；第一光学透镜组，所述第一光学透镜组设置于所述激光发射器与所述波长转换器之间；第一扩束装置，所述第一扩束装置的一端位于所述激光发射器的出光侧，所述第一扩束装置的另一端位于所述第一光学透镜组的入光侧，所述第一扩束装置用于将所述原始波长的激光束进行扩束，避免所述原始波长的激光束对所述第一光学透镜组造成损伤。激光束对所述第一光学透镜组造成损伤。激光束对所述第一光学透镜组造成损伤。

【技术实现步骤摘要】
一种前端扩束的臭氧激光雷达发射系统及激光发射方法


[0001]本专利技术涉及大气臭氧探测领域，尤其是一种前端扩束的臭氧激光雷达发射系统及激光发射方法。

技术介绍

[0002]虽然臭氧在平流层起到了保护人类与环境的重要作用，但若其在对流层浓度增加，则会对人类、动植物生长和生态环境带来严重危害，同时在对流层光化学、大气环境质量和生态环境方面起着重要作用。差分吸收激光雷达技术因其空分辨率高、快速实时、动态范围大等优势成为探测大气臭氧分布的一种有效的手段。
[0003]目前通常使用高能量的紫外固体激光器发射激光光源，通过聚焦透镜聚焦后泵浦气体(如氢气、氘气、CO2)拉曼管，以产生相应的不同波长的拉曼激光。拉曼激光和激光光源经过准直和扩束后发射至大气中，经过大气的衰减，被大气中的粒子散射和吸收，利用臭氧对不同波长的拉曼激光吸收程度不同，形成了差分吸收；经过大气粒子以及臭氧的散射和吸收，后向散射的激光在返回的路程中再次被大气消光，然后由接收光学系统接收，经过光电探测器光电转换，最后对回波信号采集，使用差分吸收算法可获得臭氧浓度空间分布信息。
[0004]基于固体激光器作为拉曼泵浦源的臭氧雷达发射系统，由于激光器波长较短(紫外波长，266nm)，光子能量相比长波长的较高，容易对镜片镀膜造成损伤。激光器发出的激光光束直径通常较小(约5
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8毫米)，而且激光单脉冲能量较高，因而能量密度较大；并且这类高能量的紫外激光器的激光通常都不是基模光束，因其模式分布实际能量密度通常比理论推算要高，这些因素都容易对镜片尤其是反射镜造成损伤。
[0005]实际应用中镜片损伤最容易发生在激光器到拉曼管前端的光路部分，这是因为这部分的激光是直接从激光器发出的，光束直径较小，能量密度较高，而镜片的损伤阈值都是有限的；并且为了提高激光在拉曼管中的转换效率，在此过程中还需要使用聚焦透镜聚焦激光束，光束在这部分传播时它的直径越来越小，能量密度更加大，镜片所受的压力更大，更容易对沿途的镜片造成损伤。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种前端扩束的臭氧激光雷达发射系统及激光发射方法，旨在克服现有技术中所存在的问题。
[0007]为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种前端扩束的臭氧激光雷达发射系统，包括：激光发射器，所述激光发射器用于发射原始波长的激光束；波长转换器，所述波长转换器用于将所述原始波长的激光束转化为目标波长的激光束；第一光学透镜组，所述第一光学透镜组设置于所述激光发射器与所述波长转换器之间；第一扩束装置，所述第一扩束装置的一端位于所述激光发射器的出光侧，所述第一扩束装置的另一端位于所述第一光学透镜组的入光侧，所述第一扩束装置用于将所述原始波长的激光束进行扩束，避免所
述原始波长的激光束对所述第一光学透镜组造成损伤。本专利技术所提出的前端扩束的臭氧激光雷达发射系统，通过设置第一扩束装置以降低激光发射器所发出的激光束的能量，能够有效避免损伤激光发射器和波长转换器之间的光学透镜组，进而保证前端扩束的臭氧激光雷达发射系统的正常工作。
[0008]可选地，所述前端扩束的臭氧激光雷达发射系统还包括：第二光学透镜组，所述第二光学透镜组的一端位于所述激光发射器的出光侧，所述第二光学透镜组的另一端位于所述第一扩束装置的入光侧，所述第二光学透镜组用于隔离射向所述激光发射器的回光。本专利技术通过在激光发射器和波长转换器之间设置第二光学透镜组，实现了对回光的隔离，避免了回光对激光发射器的损伤。
[0009]可选地，所述第二光学透镜组包括：第一光阑，所述第一光阑设置于所述激光发射器和所述偏振分束片之间；偏振分束片，所述偏振分束片设置于所述激光发射器的出光侧，所述偏振分束片的偏振方向与所述原始波长的激光束的偏振方向相同；四分之一波片，所述四分之一波片设置于所述偏振分束片远离所述激光发射器的一侧，所述四分之一波片用于改变所述回光的偏振方向，使所述回光的偏振方向与所述偏振分束片的偏振方向不同。本专利技术通过改变回光的偏振方向使之与偏振分束片的偏振方向不同，可以实现对回光的有效隔离。
[0010]可选地，所述第一光学透镜组包括：第一平凸透镜，所述第一平凸透镜设置于所述四分之一波片远离所述偏振分束片的一侧，所述第一平凸透镜用于将所述原始波长的激光束聚焦，形成聚焦激光束。本专利技术通过设置第一平凸透镜来对原始波长的激光束进行聚焦，可以将激光束聚焦到波长转换器的中心，更有利于实现波长的转换。
[0011]可选地，所述第一光学透镜组还包括：第一反射镜、第二光阑和第二反射镜，所述第一反射镜、第二光阑和第二反射镜分别设置在所述第一平凸透镜和所述波长转换器之间。本专利技术通过采用第一反射镜和第二反射镜的搭配，可以有效减小光路以及减小臭氧激光雷达发射系统的体积。
[0012]可选地，所述前端扩束的臭氧激光雷达发射系统还包括：密封仓，所述密封仓用于收容所述前端扩束的臭氧激光雷达发射系统的各组成部件；第三光学透镜组，所述第三光学透镜组设置于所述波长转换器的出光侧。本专利技术通过设置密封仓且其采用了不受紫外光影响的结构材料，避免粉尘或光致污染物对透镜的影响。
[0013]可选地，所述第三光学透镜组包括第二平凸透镜、第一反射镜和第二反射镜；所述第二平凸透、所述第一反射镜和所述第二反射镜镜在远离所述波长转换器的出光侧方向上依次设置。呈发散状态的目标波长的激光束出来后直接使用第二平凸透镜准直，此外第二平凸透镜的焦距比第一平凸透镜小，以便于减小准直后的激光束的尺寸。
[0014]可选地，所述前端扩束的臭氧激光雷达发射系统包括：第二扩束装置，所述第二扩束装置设置在所述第二反射镜的出光侧。第二扩束装置的入瞳尺寸与使用第二平凸透镜准直后的激光束相匹配。采用这种配置方式，所需要激光发射器本身的光斑大小不是很大，或者当第一扩束装置倍数不是太高时使用；其优点在于第二扩束装置调整起来更加方便，激光束的发散角容易控制，不同波长间色散差异较小，且扩束装置的控制结构和调节步骤相对简单。
[0015]可选地，所述第三光学透镜组包括第一反射镜、第二反射镜和第二平凸透镜；所述
第一反射镜、所述第二反射镜和所述第二平凸透镜在远离所述波长转换器的出光侧方向上依次设置。从波长转换器的呈发散状态的激光束，经过第一反射镜、第二反射镜后，通过第二平凸透镜被重新准直为平行光，直接发射到大气中。这种配置方式可在激光发射器本身的光斑大小较大时，或是选用的第一扩束装置的扩束倍数较大时使用起优点在于，第二平凸透镜作为准直透镜，波长转换器的激光束的能量就能最大化利用，不易受器件遮拦而损失，从而大大提高了探测效率，且光路也更加简化。
[0016]第二方面，基于同样的专利技术构思，本专利技术还提供了一种激光发射方法，该方法包括：提供前端扩束的臭氧激光雷达发射系统，所述前端扩束的臭氧激光雷达发射系统如本专利技术第一方面中所述；利用所述前端扩束的臭氧激光雷达发射系统向大气发射目标波长的激光束。本专利技术所采用的激光发射方法，主要通过采用具有前端扩束功能的臭氧激光雷达本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种前端扩束的臭氧激光雷达发射系统，其特征在于，包括：激光发射器，所述激光发射器用于发射原始波长的激光束；波长转换器，所述波长转换器用于将所述原始波长的激光束转化为目标波长的激光束；第一光学透镜组，所述第一光学透镜组设置于所述激光发射器与所述波长转换器之间；第一扩束装置，所述第一扩束装置的一端位于所述激光发射器的出光侧，所述第一扩束装置的另一端位于所述第一光学透镜组的入光侧，所述第一扩束装置用于将所述原始波长的激光束进行扩束，避免所述原始波长的激光束对所述第一光学透镜组造成损伤。2.根据权利要求1所述前端扩束的臭氧激光雷达发射系统，其特征在于，所述前端扩束的臭氧激光雷达发射系统还包括：第二光学透镜组，所述第二光学透镜组的一端位于所述激光发射器的出光侧，所述第二光学透镜组的另一端位于所述第一扩束装置的入光侧，所述第二光学透镜组用于隔离射向所述激光发射器的回光。3.根据权利要求2所述前端扩束的臭氧激光雷达发射系统，其特征在于，所述第二光学透镜组包括：偏振分束片，所述偏振分束片设置于所述激光发射器的出光侧，所述偏振分束片的偏振方向与所述原始波长的激光束的偏振方向相同；四分之一波片，所述四分之一波片设置于所述偏振分束片远离所述激光发射器的一侧，所述四分之一波片用于改变所述回光的偏振方向，使所述回光的偏振方向与所述偏振分束片的偏振方向不同；第一光阑，所述第一光阑设置于所述激光发射器和所述偏振分束片之间。4.根据权利要求3所述前端扩束的臭氧激光雷达发射系统，其特征在于，所述第一光学透镜组包括：第一平凸透镜，所述第一平凸透镜设置于所述四分之一波片远离所述偏振分束片的一侧，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨少辰，刘冬晴，张鹭，王克满，龚海滨，冼锦洪，
申请(专利权)人：南京市气象台，
类型：发明
国别省市：