[發(fā)明專利]CO2探測激光雷達中脈沖差頻激光器穩(wěn)頻裝置及方法

有效

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• 申請日: 2014-06-13
• 公開（公告）號: CN103996971A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發(fā)明（設計）人: 龔威;馬昕;相成志;韓舸;林宏
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H01S3/137
• 分類號: H01S3/137
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 胡艷

技術領域

本發(fā)明涉及激光穩(wěn)頻領域，尤其涉及一種CO₂探測激光雷達中脈沖差頻激光系統(tǒng)穩(wěn)頻裝置及方法。

背景技術

激光差頻技術隸屬于光學混頻，是兩束或兩束以上不同頻率的單色光同時入射到非線性介質后，通過介質的非線性電極化系數的耦合作用，產生差頻激光束，該光束的頻率是入射光頻率ω₁和ω₂之差。

CO₂是溫室氣體主要成分，其濃度變化是氣候變化的主要原因。因此精確的大氣CO₂濃度測量對于碳源和碳匯的分析具有重要意義。差分吸收激光雷達在探測CO₂方面具有巨大優(yōu)勢，是觀測其垂直廓線分布的理想探測設備，能夠提供連續(xù)的時間和空間觀測，獲得較高的時空分辨率。差分吸收激光雷達通常采用兩束差別很小的波長作為發(fā)射激光束，其中一束激光的波長選在CO₂吸收峰的中心，使其受到最大吸收，稱為on波長，記作λ_on；另一束激光的波長在CO₂吸收谷處，使其受到的吸收盡可能小，稱為off波長，記作λ_off。通過測量隨高度增加的大氣CO₂吸收的變化來反演CO₂濃度分布。應用時，激光器的輸出波長需要精確確定在on波長上，而對于off波長的精度要求相對較低。由于CO₂探測激光器的輸出波長線寬要求在GHz甚至MHz，對于工作狀態(tài)的脈沖差頻激光器而言，這種on波長的穩(wěn)頻要求更為嚴格。

發(fā)明內容

針對現有技術存在的不足，本發(fā)明提供了一種CO₂探測激光雷達中脈沖差頻激光器的穩(wěn)頻裝置及方法，以確保脈沖差頻激光器輸出的on波長的頻率穩(wěn)定。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下的技術方案：

一、用于CO₂探測激光雷達中脈沖差頻激光器的穩(wěn)頻裝置，包括：

第一分光單元，用來將脈沖差頻激光器的輸出紅外激光分成第一激光束和第二激光束，第一激光束進入波長粗定標單元，第二激光束經聚焦單元后通過自由光路進入第二分光裝置；

波長粗定標單元，用來對第一激光束進行定標以獲取脈沖差頻激光器的輸出紅外激光波長真實值；

第二分光單元，用來將第二激光束分成第三激光束和第四激光束，第三激光束和第四激光束通過自由光路分別進入CO₂氣體吸收池和N₂氣體吸收池；

CO₂吸收譜獲取單元，包括CO₂氣體吸收池、N₂氣體吸收池、紅外探測器和信號采集單元，紅外探測器用來探測CO₂氣體吸收池和N₂氣體吸收池出射的紅外激光束，信號采集單元采集紅外探測器的探測結果獲得CO₂吸收譜；

計算單元，用來根據CO₂吸收譜獲取單元獲得的CO₂吸收譜和波長粗定標單元獲得的輸出紅外激光波長真實值確定on波長，并通過控制脈沖差頻激光器輸出紅外激光波長實現on波長的穩(wěn)頻。

作為優(yōu)選，上述自由光路為光纖光路，光纖光路的輸入端和輸出端均設有光纖準直器。第二分光單元為設置在光纖光路中的光纖分光器。

二、用于CO2探測激光雷達中脈沖差頻激光器的穩(wěn)頻方法，包括步驟：

步驟1，采用波長粗定標單元對脈沖差頻激光器的輸出紅外激光進行粗定標，獲得輸出紅外激光波長的真實值，擬合輸出紅外激光波長的真實值和標稱值進行線性擬合獲得真實值和標稱值的線性擬合曲線；

步驟2，脈沖差頻激光器根據設定的大步波長掃描范圍以及真實值和標稱值的線性擬合曲線進行大步長掃描，使得輸出紅外激光波長滿足大步波長掃描范圍，并通過調整大步波長掃描范圍，獲得具有單一吸收峰的CO₂吸收譜；所述的大步波長掃描范圍包括起始波長、終止波長和波長間隔，起始波長和終止波長位于CO₂吸收峰位置理論值兩側；