[發明專利]一種828nm大氣水汽探測差分吸收激光雷達發射機系統

在審

• 申請號: 201910414302.6
• 申請日: 2019-05-17
• 公開（公告）號: CN110098556A
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發明（設計）人: 洪光烈;李嘉唐
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01S3/083
• 分類號: H01S3/083;H01S3/13;G01S7/484
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種828nm大氣水汽探測差分吸收激光雷達發射機系統，包括828nm連續波種子激光器，單縱模窄線寬脈沖Nd:YAG激光器，KTP環形腔光參量振蕩器，基于水汽吸收的多通道吸收池的PDH種子激光波長穩定單元，基于掃描保持技術的光參量振蕩器諧振腔腔長鎖定單元。本發明能夠產生適用于大氣水汽探測的單頻激光脈沖，是差分吸收激光雷達的核心結構。

技術領域

本發明涉及激光雷達遙感測量領域，也涉及一種地基或車載的大氣水汽遙感儀器，尤其是一種探測大氣水汽分布、工作在828nm波段的差分吸收激光雷達的發射機系統。

背景技術

激光雷達是以發射激光束來探測目標特征量的光學主動遙感設備，目前已成為探測大氣成分及其垂直分布的最有效的手段之一。發射機發出5至200ns的超短激光脈沖，進入大氣后在行進過程中不斷與大氣中的待測物質發生相互作用，其后向Raman散射、后向Mie散射和后向Rayleigh散射均可作為回波信號被望遠鏡接收，由光電探測器檢測轉換成電壓信號送給模數轉換器件以便于后續的信號處理與反演工作。

上世紀80年代以來，國際上相繼建立基于多種平臺探測對流層大氣水汽廓線的差分吸收激光雷達。因為大氣水汽主要集中在大氣邊界層，根據國際經驗，機載和空間應用的差分吸收激光雷達，發射激光束由高層大氣向低層大氣傳輸，光束下行的路徑上水汽濃度由低到高，對激光的吸收由弱到強，一般認為此時水汽對發射激光的吸收截面相對大些更為適宜；地基和車載差分吸收激光雷達探測由地表起至對流層頂的大氣水汽含量，一般采用吸收截面相對小的815-820nm附近或720-730nm附近波段。

國際上已經建立的探測對流層水汽的地基差分吸收激光雷達發射機系統主要分為兩大類，一類以低重復頻率、大脈沖能量構建，如使用鈦寶石激光器或翠綠寶石激光器。鈦寶石激光器發射機采用了種子注入和諧振腔主動穩頻技術，發射機的光譜性能較穩定，波長一般靠近鈦寶石增益較高的波長815-820nm；翠綠寶石激光器一般工作在720-730nm的水汽吸收區，但在720-730nm波段大氣分子后向散射產生的譜線展寬嚴重，反演誤差增大。另一類使用重復頻率高，脈沖能量很低的發射機，以二極管激光器和半導體放大器為核心，工作波長為823、828nm，這類激光雷達稱之為微脈沖差分吸收激光雷達。

隨著光參量振蕩器技術不斷進步和窄線寬單縱模Nd:YAG激光器的不斷成熟，基于種子注入的光參量振蕩器方法可以產生優良的828nm-828nm激光束，覆蓋水汽的一個吸收光譜區，因而可以用作地基或車載差分吸收激光雷達探測大氣對流層水汽廓線的激光發射機。

發明內容

本發明旨在提出一種工作在820～830nm波段的差分吸收激光雷達的發射機系統，這樣做的目的在于進一步豐富用于水汽探測的差分吸收激光雷達構建手段，增強差分吸收激光雷達應用的普遍性。

所述激光雷達發射機系統包括單頻泵浦激光器1、主動穩頻的828nm種子激光器2、環形腔光參量振蕩器3以及必要的光學鏡片4～7，整體結構如圖1所示。其中，采用種子注入的Nd:YAG激光器作為泵浦源，包括1064nm Nd:YAG光放大器1-1、二倍頻晶體1-2、1064nmNd:YAG主振蕩器1-3、1064nm種子源1-4。單頻泵浦激光器1產生泵浦激光，到達R1064T532介質膜雙色鏡4時的泵浦激光同時包含1064nm成分和532nm成分。R1064T532介質膜雙色鏡4鍍532nm減反射膜和1064nm高反射膜，使得532nm激光透過4進入環形腔光參量振蕩器3，1064nm反射至1064nm反射鏡5，并被5再次反射至R532T1064介質膜雙色鏡6。R532T1064介質膜雙色鏡6鍍1064nm減反射膜和532nm高反射膜，使得1064nm透過6被釋放掉。由環形腔光參量振蕩器3出射的激光同時包含828nm成分和532nm成分，R532T828介質膜雙色鏡7鍍828nm減反射膜和532nm高反射膜，使得828nm激光透過7進行發射，532nm激光被7反射至R532T1064介質膜雙色鏡6，并被6再次反射釋放。