高功率铁共振荧光激光雷达

摘要

本发明公开了一种高功率铁共振荧光激光雷达，是目前国际上采用光混频技术获得单脉冲能量最高的铁激光雷达系统。该激光雷达由发射单元、光学接收单元和信号检测与控制单元组成，发射单元采用种子注入方式压缩激光线宽，实现窄线宽输出，将线宽压缩后的1064nm基频光通过二倍频后产生的532nm倍频光泵浦由R590和R610两种染料按特定比例配制的混合溶液，产生572nm的激光，将572nm的激光与经过倍频后的剩余1064nm基频光经光路补偿后在KDP晶体内进行混频，产生线宽为1.8GHz、单脉冲能量高达48mJ的372nm紫外激光；通过计算机自动控制染料激光器的谐振腔实现波长的自动锁定。本发明不仅可探测中层顶区域(80-110km)的铁层结构，而且可实现30-80km大气温度、密度等大气主要参量的探测。

权利要求

1.高功率铁共振荧光激光雷达，该激光雷达由发射单元、接收单元以及信号检测和控制单元等三部分组成，其特征在于：发射单元由种子激光器、Nd:YAG激光器、染料激光器、光混频系统、波长锁定系统以及电动反射平台组成；

折反镜与电动反射平台相连，放置在激光发射光路上，光混频系统中的KDP混频晶体输出的激光束通过分束镜，其中透过部分光束通过电动反射平台将光束垂直反射到大气中去，反射部分光束经过单模光纤耦合到波长测量装置中进行测量，电动反射平台带动折反镜，调节激光束的发射方向；

种子激光器产生线宽极窄的弱基频光，通过全反射镜耦合到Nd:YAG激光器的谐振腔内；谐振腔产生的1064nm基频光经两级放大后进入倍频器进行倍频，产生的532nm倍频光输入到染料激光器；在染料激光器内532nm激光分为三部分，分别作为染料激光器的振荡级和两个放大级的泵浦光源，染料溶液采用诺丹明系列的Rhodamine 590与Rhodamine

610混合溶液来得到572nm的输出波长；然后，由染料激光器产生的572nm激光与Nd:YAG激光器经过倍频后剩余的1064nm基频光输入到光混频系统，两束光路进行光路补偿后，通过KDP混频晶体进行混频；最终，得到单脉冲能量大于35mJ的372nm激光；

Rhodamine 590与Rhodamine 610混合溶液在振荡级中的浓度按4.0-5.8∶1的重量比例配制，放大级中的浓度按1.0-1.5∶1的重量比例配制；

波长锁定系统由分束镜、耦合光纤、波长测量装置波长计和染料激光器的控制系统组成，耦合光纤将光混频系统输出后、通过分束镜来的光耦合到波长测量装置波长计中进行测量，测量结果反馈到染料激光器的控制系统，控制系统根据光混频系统输出的激光波长偏离铁共振荧光线的大小和方向，自动调整染料激光器谐振腔内光栅的位置。

2.如权利要求1所述的高功率铁共振荧光激光雷达，其特征在于：Rhodamine 590与Rhodamine 610混合溶液在振荡级中的浓度按5∶1的重量比例配制，放大级中的浓度按

1.25∶1的重量比例配制。

说明书

高功率铁共振荧光激光雷达

技术领域

[0001] 本发明涉及一种探测中层顶区域铁层及中层大气温度密度的高功率铁共振荧光激光雷达。

背景技术

[0002] 激光雷达以其高时空分辨能力、高探测灵敏度以及可连续探测等特点，被广泛应用于大气、海洋、陆地和其他目标的遥感探测中，尤其适合对大气参量的探测。激光雷达最基本的工作原理与普通雷达类似，即由发射系统发送一个信号，与目标作用产生的返回信号被接收系统收集并处理，以获得所需要的信息。不同的是，激光雷达的发射信号为激光，由于所用探测束波长的缩短和定向性的加强，因而具有很高的空间、时间分辨能力和高探测灵敏度，能分辨被测物种和不存在探测盲区等优点。激光雷达发射的激光束与大气中的尘埃、云雾、烟雾以及其它微粒相互作用，产生后向散射的回波光子信号，被激光雷达的望远镜系统接收，接收到的回波光子经过信号检测与处理系统，可以得到回波信号强度随高度的分布，进而利用激光雷达方程反演出被探测对象的各种物理参数的空间分布和时间变化。

[0003] 在大约80-120km的高空，存在多种金属原子层，它们来自于流星的消融。作为流星体中所含的主要成份之一，铁原子是迄今可探测到的中间层金属原子中密度含量最高的成分。与钠、钾、锂和钙等碱金属和碱土金属不同，作为过渡金属的铁原子与中间层大气的化学反应引起了人们的广泛关注。对于中层顶区域铁层的观测研究使人们能够了解主要流星成分的来源、输运和消失过程。此外，通过探测铁原子两个相近的跃迁谱线上布居数的差异还可以获取中间层大气的温度剖面。因此对中层顶区域铁层进行探测研究对于了解中层顶的环境特征具有十分重要的意义。由于铁原子的共振荧光线处于近紫外(372nm)，并且其共振散射截面仅为钠原子的1/15，对其进行探测在技术上比较困难。近年来随着激光技术尤其是光混频技术与紫翠玉激光器(Alexandrite Laser)技术以及接收望远镜技术的发展，国际上也随之兴起了对铁层探测研究的热潮。在这一领域具有代表性的是美国University of Illinois atUrbana-Champaign(UIUC)的Gardner领导的研究小组和美国Cornell大学位于Arecibo的观测站。美国UIUC的铁共振荧光激光雷达系统采用的是种子注入的闪光灯泵浦的紫翠玉激光器，该激光器发出744nm波长的激光，然后通过倍频晶体得到372nm波长激光。采用紫翠玉激光器的二倍频得到372nm的单脉冲能量约100mJ，但是紫翠玉激光器不仅维护非常困难，而且其配件的价格也相当昂贵。因此，目前包括Arecibo观测站以及法国的OHP观测站的铁共振荧光激光雷达的发射系统都是采用Nd:YAG的二倍频泵浦染料激光器，产生572nm波长的激光。然后，再与Nd:YAG倍频后剩余的1064nm基频光进行光混频得到铁原子共振荧光线所需要的372nm波长激光。采用固体激光器泵浦染料激光器，然后进行光混频方式得到372nm波长激光，这种方式不仅从价格上来说要比采用紫翠玉激光器便宜，而且维护也相对比较简单。但是，受到激光器本身的倍频效率、泵浦效率和混频效率的限制，最终所得到的372nm激光的单脉冲能量一般都比较低。如Arecibo观测站的铁激光雷达的单脉冲能量是20mJ，线宽是2.0GHz，脉冲重复频率为40Hz；法国的OHP观测站的单脉冲能量为15mJ，线宽是1.8GHz，脉冲重复频率为10Hz。可见，如何保证铁激光雷达发射系统在操作、维护上方便并且价格便宜的基础上，尽量提高激光的单脉冲能量是有效地进行铁层常规探测的前提。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提出了一种探测中层顶区域铁层的高功率铁共振荧光激光雷达，在保证铁激光雷达发射系统在操作、维护上方便并且价格便宜的基础上，提高激光的单脉冲能量，有效地进行铁层的常规探测。该激光雷达由发射单元、接收单元以及信号检测和控制单元等三部分组成，其中发射单元是用来产生铁原子的共振荧光所需要的372nm波长激光的部分，目的是产生激光脉冲并将其发射到空中，使其与大气中的物质相互作用，产生后向散射回波。接收单元用于收集回波信号，并滤除背景噪声。信号检测和控制单元主要实现光电转换、光子计数、数据存储以及反射平台的调整等功能。

[0005] 为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：高功率铁共振荧光激光雷达，该激光雷达由发射单元、接收单元以及信号检测和控制单元等三部分组成，其特征在于：发射单元由种子激光器、Nd:YAG激光器、染料激光器、光混频系统、波长锁定系统以及电动反射平台组成；

[0006] 光混频系统中的折反镜与电动反射平台相连，放置在激光发射光路上，其中透过部分光束通过电动反射平台将光束垂直反射到大气中去，反射部分光束经过单模光纤耦合到波长测量装置波长计中进行测量，电动反射平台带动折反镜，调节激光束的发射方向；

[0007] 种子激光器产生线宽极窄的弱基频光，通过全反射镜耦合到Nd:YAG激光器的谐振腔内；谐振腔产生的1064nm基频光经两级放大后进入倍频器进行倍频，产生的532nm倍频光输入到染料激光器；在染料激光器内532nm激光分为三部分，分别作为染料激光器的振荡级和两个放大级的泵浦光源，染料溶液采用诺丹明系列的Rhodamine 590与Rhodamine 610混合溶液来得到572nm的输出波长；然后，由染料激光器产生的572nm激光与Nd:YAG激光器经过倍频后剩余的1064nm基频光输入到光混频系统，两束光路进行光路补偿后，通过KDP混频晶体进行混频；最终，得到单脉冲能量大于35mJ的372nm激光；

[0008] Rhodamine 590与Rhodamine 610混合溶液在振荡级中的浓度按4.0-5.8∶1的重量比例配制，放大级中的浓度按1.0-1.5∶1的重量比例配制。

[0009] 如上所述的高功率铁共振荧光激光雷达，其特征在于：Rhodamine 590与Rhodamine 610混合溶液在振荡级中的浓度按5∶1的重量比例配制，放大级中的浓度按1.25∶1的重量比例配制。可使单脉冲能量达到48-50mJ。

[0010] 如上所述的高功率铁共振荧光激光雷达，其特征在于：波长锁定系统由分束镜、耦合光纤、波长测量装置波长计和染料激光器的控制系统组成，耦合光纤将光混频系统输出后、通过分束镜来的光耦合到波长测量装置波长计中进行测量，测量结果反馈到染料激光器的控制系统，控制系统根据光混频系统输出的激光波长偏离铁共振荧光线的大小和方向，自动调整染料激光器谐振腔内光栅的位置。可使波长的波动在±0.1pm范围内。

[0011] 如上所述的高功率铁共振荧光激光雷达，其特征在于：在Nd:YAG激光器与光混频系统光路中靠近光混频系统反射1064nm波长激光的反射镜的反射率为45％。可以获得最佳的光混频效率。

[0012] 为了获得合理、可靠的探测结果，要求激光单脉冲能量尽可能提高。

[0013] 为了实现窄线宽输出，我们采用种子注入模式，即由种子激光器产生线宽极窄的弱基频光，通过全反射镜耦合到Nd:YAG激光器的谐振腔内，在往返传输过程中迅速变为最邻近的模式并不断增强至占绝对优势而抑制其它模式，从而实现单一模式的激光输出。谐振腔产生的1064nm基频光经两级放大后进入倍频晶体(SHG)倍频，产生的532nm倍频光输入到染料激光器。在染料激光器内532nm激光分为三部分，分别作为染料激光器的振荡级和两个放大级的泵浦光源，染料溶液采用诺丹明系列的R590与R610混合溶液来得到572nm的输出波长。然后，由染料激光器产生的572nm激光与Nd:YAG激光器经过倍频后剩余的1064nm基频光输入到光混频系统，两束光路进行光路补偿后，通过KDP混频晶体进行混频。
最终，得到线宽为1.8GHz、单脉冲能量为48-50mJ、脉宽为7ns的372nm激光。由于染料激光器的输出能量与染料的浓度以及泵浦能量有关，当泵浦能量一定的情况下，染料浓度过低或者染料浓度过高都会导致输出能量减少，当采用两种染料混合获得特定波长的激光时，选择两种染料的比例以及振荡级和放大级的浓度可以使输出能量达到较好的值。本发明采用532nm激光泵浦诺丹明590(R590)与610(R610)按照特定比例配制的染料溶液，获得的
372nm激光单脉冲能量为48-50mJ，这是目前铁共振荧光激光雷达中采用光混频技术获得
372nm激光单脉冲能量最高的技术。表1是本发明实现高能量输出的染料激光器的振荡级和放大级所用染料溶液里R590与R610浓度。单用R590或者R610一种染料是很难达到在相同的泵浦能量情况下产生如此高的单脉冲能量。如激光器的生产厂商美国Continuum公司提供的372nm波长的激光单脉冲能量也只有35mJ，这已经是相同的泵浦能量下采用R590单一染料所能达到的最佳单脉冲能量。

[0014] 此外激光的波长稳定性也有严格的要求，即在探测过程中波长变化不能大于±0.5pm，而提高激光的波长稳定性也有助于获得合理、可靠的探测结果。本发明也实现了铁激光雷达对波长的自动锁定，使得波长的波动在±0.1pm范围内，优于Arecibo观测站的±0.3pm。经波长锁定后的激光束通过计算机控制的电动反射平台垂直反射到大气中去，光束指向分辨率优于0.01mrad。

[0015] 激光雷达的接收系统由接收望远镜，后置光路，窄带滤光器组成。接收望远镜用于收集激光雷达回波信号光。我们采用的是1米有效孔径的卡塞格林式望远镜，整个望远镜由抛物面主镜和双曲面副镜组成，主镜固定不动，副镜可由电机驱动上下运动以调整系统焦面高低，系统光轴指向天顶方向。在系统焦点处设置一小孔光阑，以控制望远镜的接收视场，之后用镀紫外高透膜的一组准直透镜将光束变换为平行光再通过窄带干涉滤光片，然后送往光电倍增管进行光电转换。

[0016] 信号检测和控制单元主要实现光电转换、光子计数、数据存储以及反射平台的调整和染料激光器谐振腔内光栅的位置调整等功能。通过控制光子计数器和高精度电动反射平台，我们已经实现了数据采集与光路调节的自动化进行。

附图说明

[0017] 图1为本发明实施例的铁共振荧光激光雷达工作原理图。

[0018] 图2是本发明实施例的R590与R610混合溶液比例表。

具体实施方式

[0019] 本发明的关键在于采用固体激光器的二倍频激光泵浦按一定比例配制的R590和R610混合染料体系，以及采用波长自动锁定技术获得了激光单脉冲能量为48-50mJ、脉宽为7ns、波长的变化为±0.1pm的激光光束，是目前铁激光雷达中采用光混频方式所得到372nm激光波长中各项指标为最高的。

[0020] 本发明的激光雷达系统由三部分组成，即发射单元、接收单元以及信号检测和控制单元。如附图1。

[0021] 发射单元由种子激光器、Nd:YAG激光器、染料激光器、光混频系统、波长锁定系统以及光反射平台组成。Nd:YAG激光器采用美国Continuum公司的POWERLITE 9020激光器。首先，种子激光器产生线宽极窄的弱基频光，通过反射镜1、反射镜2耦合到Nd:YAG激光器内，经过线宽压缩后的1064nm基频光经两级放大后进入倍频晶体倍频，产生的532nm倍频光。然后通过532nm高反1064nm高透的分色镜，532nm二倍频光输入到染料激光器，在染料激光器内532nm激光分为三部分，分别作为染料激光器的振荡级和两个放大级的泵浦光源，染料溶液采用诺丹明系列的R590与R610混合溶液，R590与R610混合溶液在振荡级中的浓度按4.0-5.8∶1的重量比例配制，放大级中的浓度按1.0-1.5∶1的重量比例配制，当泵浦能量变化时，浓度比稍微变化即可。然后，然后将染料激光器产生的572nm激光与Nd:YAG激光器经过倍频后剩余的1064nm基频光经过补偿器以及反射镜3和反射镜4后一起输入到光混频系统，在KDP混频晶体进行混频，最终得到单脉冲能量大于35mJ的
372nm激光；当振荡级中R590与R610按5∶1的比例配制，放大级中R590与R610的浓度按1.25∶1的比例配制，最终得到单脉冲能量为48-50mJ的372nm激光。其中补偿器和反射镜4的作用主要是保证染料激光器产生的572nm激光与倍频后剩余的1064nm基频光在KDP晶体内进行混频时满足相位匹配条件，即待混频的两束光不仅在空间上充分重叠，并在时间上达到同步。然后，将光束通过透过率为99％、反射率为1％的分束镜，其中透过部分通过计算机控制的电动调整平台将光束垂直反射到大气中去，发射部分光束经过芯径Φ50μm的单模光纤耦合到波长测量装置中进行测量，测量结果反馈到染料激光器的控制系统(即图1中信号检测与控制部分的计算机)，控制系统根据光混频系统输出的激光波长偏离铁共振荧光线的大小和方向，自动调整染料激光器谐振腔内光栅的位置，从而保证光混频系统输出激光波长在铁共振荧光所需要的波长范围内，并且在观测期间的波长波动在±0.1pm间变化。经波长锁定后的激光束通过计算机控制的电动反射平台垂直反射到大气中去。

[0022] 接收系统由望远镜、采用1米有效孔径的卡塞格林式望远镜，整个望远镜由抛物面主镜和双曲面副镜组成，主镜固定不动，副镜可由电机驱动上下运动以调整系统焦面高低，系统光轴指向天顶方向。在系统焦点处设置-小孔光阑，光阑大小在0.8-12mm可调，以控制望远镜的接收视场，之后用一组准直透镜将光束变换为平行光再通过中心波长为372nm，带宽为4.0nm，透过率为47％的干涉滤光片，然后送往光电倍增管进行光电转换。信号检测和控制单元包括光电倍增管、前置放大器、多通道光子计数器以及计算机组成。其中光电倍增管采用日本HAMAMATSU公司的侧窗型光电倍增管，光谱响应范围为185-850nm，9
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极倍增，工作电压最大值1250V，增益为3.5×10，上升时间为2.2ns，在372nm波段其量子效率约为26％。光电倍增管的输出脉冲经过前置放大器放大后，再经过多通道光子计数器SR430对快速变化的回波信号进行多次的采样和累加，最后可得到激光雷达的原始回波数据，最后通过RS232串口将数据上传到计算机进行计算、存储。