[發明專利]一種超快激光成絲對大氣組分的遠程實時探測系統

在審

• 申請號: 202011512316.0
• 申請日: 2020-12-19
• 公開（公告）號: CN112798574A
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 宋海英;汪鵬;劉世炳;張澤亮;李亞超
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N21/73
• 分類號: G01N21/73;G01N21/64;G01N21/01
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種超快激光成絲對大氣組分的遠程實時探測裝置，包括激光光源，傳輸光路系統，光電信號采集與發射系統和光電信號接收與光譜分析系統。激光光源產生飛秒脈沖激光，經過傳輸光路系統聚焦之后，脈沖光束由于束腰處能量密度高于空氣分子電離閾值，空氣分子電離后電子回到母核發出熒光，利用無人機攜帶熒光高光譜相機對激光成絲位置光譜數據進行采集并實時傳回光電信號接收與光譜分析系統，光電信號接收與光譜分析系統利用不同空氣分子電離熒光光譜信號的差異實時計算并顯示空氣組分與濃度，由此實現超快激光成絲對大氣組分的遠程實時探測。

技術領域

本發明涉及激光超快應用技術領域，尤其涉及一種飛秒激光傳輸成絲誘導大氣擊穿光譜的遠程實時檢測系統，適用于實時大氣組分狀況的探測。

背景技術

隨著我國城市化進程的加快和工業化的快速發展，能源消耗大量增加，大氣污染物的排放總量巨大，以重工業為主的產業結構，不合理的產業布局，以煤炭為主的能源結構，以及機動車保有量的快速增長，生活方式等方面，使得目前大氣污染量使得目前大氣污染物的排放總量遠超環境承載力。另外，我們對于核設施的泄漏以及通過大氣散布的危險氣體和致病致殘生化劑等突發重大污染事故的應急能力形式亦極為嚴峻。防治大氣污染已成為我國生態文明建設的重要組成部分，對特殊突發環境的大氣成分應急監控，亦將成為未來國家安全與社會發展的重要戰略環節。

掌握大氣污染組成成分和濃度等關鍵信息是控制和治理大氣污染的前提和基礎。目前大氣組分探測技術主要分為兩類。第一類是通過激光雷達技術測量特定波長吸收率，監測以CO\CO₂為主的氣體。通過快速掃描的激光雷達，可以實現遠程測量吸收譜，從而實現大范圍的大氣組分檢測。由于每種氣體只吸收特定波長激光(比如測量CO₂的激光雷達發射波長為1.57μm)，如果測量多組分氣體時，需要搭載多個激光雷達載荷，當目標大氣污染物較多時，該技術方案實施具有局限性。而且，在監測突發安全事件所釋放大氣污染物時，由于污染物不一定是載荷預設目標監測對象，因此，基于吸收譜測量的激光雷達技術應用受到限制。

另一類是通過光譜分辨或偏振分辨的光譜成像結果反演氣溶膠為主的細顆粒物(霧霾)的地理分布、濃度和平均顆粒直徑，以及可定量檢測未知的成分或組分及其濃度等信息，其不足在于檢測過程通過取樣然后在實驗室進行檢測，屬非現場檢測，易丟失現場原始信息。

發明內容

為了克服上述檢測方法的不足或者至少部分的完善，本發明提供了一種飛秒激光傳輸成絲誘導大氣擊穿光譜的遠程檢測系統。

本發明采用的技術方案為一種基于飛秒激光傳輸成絲誘導大氣擊穿光譜的遠程實時檢測系統，其中的組分包括：飛秒激光光源、光路系統、信號采集與發射系統、光電信號接收與光譜分析系統；其中，

所述的飛秒激光光源用于產生飛秒脈沖激光；

所述的光路系統用于調整飛秒激光的空間位置，用于大氣組分檢測；

所述的信號采集與發射系統用于對大氣中激光成絲的熒光光譜進行探測，實時將數據傳回光電信號接收與光譜分析系統中；

所述的光電信號接收與光譜分析系統用于接收來自信號采集與發射系統的數據，同時對大氣組分進行實時分析并顯示。

光路系統包括：用于固定光學元件的光學面包板、用于光束整形的空間光調制器、用于激光擴束的擴束鏡、用于激光聚焦的透鏡。飛秒脈沖激光經過空間光調制器整形成高斯線性，經過擴束鏡擴束以減少飛秒脈沖激光傳輸過程中可能存在的能量損耗，最后經過長焦距透鏡聚焦。

該系統的具體實現步驟如下：

S1：所述飛秒激光光源產生飛秒激光脈沖；

S2：所述的飛秒激光脈沖經過光路系統中的空間光調制器、擴束鏡、聚焦鏡之后，在空氣中電離氣體分子而產生一條光絲；