[发明专利]CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器稳频装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光稳频领域，尤其涉及一种CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光系统稳频装置及方法。

背景技术

激光差频技术隶属于光学混频，是两束或两束以上不同频率的单色光同时入射到非线性介质后，通过介质的非线性电极化系数的耦合作用，产生差频激光束，该光束的频率是入射光频率ω₁和ω₂之差。

CO₂是温室气体主要成分，其浓度变化是气候变化的主要原因。因此精确的大气CO₂浓度测量对于碳源和碳汇的分析具有重要意义。差分吸收激光雷达在探测CO₂方面具有巨大优势，是观测其垂直廓线分布的理想探测设备，能够提供连续的时间和空间观测，获得较高的时空分辨率。差分吸收激光雷达通常采用两束差别很小的波长作为发射激光束，其中一束激光的波长选在CO₂吸收峰的中心，使其受到最大吸收，称为on波长，记作λ_on；另一束激光的波长在CO₂吸收谷处，使其受到的吸收尽可能小，称为off波长，记作λ_off。通过测量随高度增加的大气CO₂吸收的变化来反演CO₂浓度分布。应用时，激光器的输出波长需要精确确定在on波长上，而对于off波长的精度要求相对较低。由于CO₂探测激光器的输出波长线宽要求在GHz甚至MHz，对于工作状态的脉冲差频激光器而言，这种on波长的稳频要求更为严格。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置及方法，以确保脉冲差频激光器输出的on波长的频率稳定。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、用于CO₂探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频装置，包括：

第一分光单元，用来将脉冲差频激光器的输出红外激光分成第一激光束和第二激光束，第一激光束进入波长粗定标单元，第二激光束经聚焦单元后通过自由光路进入第二分光装置；

波长粗定标单元，用来对第一激光束进行定标以获取脉冲差频激光器的输出红外激光波长真实值；

第二分光单元，用来将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过自由光路分别进入CO₂气体吸收池和N₂气体吸收池；

CO₂吸收谱获取单元，包括CO₂气体吸收池、N₂气体吸收池、红外探测器和信号采集单元，红外探测器用来探测CO₂气体吸收池和N₂气体吸收池出射的红外激光束，信号采集单元采集红外探测器的探测结果获得CO₂吸收谱；

计算单元，用来根据CO₂吸收谱获取单元获得的CO₂吸收谱和波长粗定标单元获得的输出红外激光波长真实值确定on波长，并通过控制脉冲差频激光器输出红外激光波长实现on波长的稳频。

作为优选，上述自由光路为光纤光路，光纤光路的输入端和输出端均设有光纤准直器。第二分光单元为设置在光纤光路中的光纤分光器。

二、用于CO2探测激光雷达中脉冲差频激光器的稳频方法，包括步骤：

步骤1，采用波长粗定标单元对脉冲差频激光器的输出红外激光进行粗定标，获得输出红外激光波长的真实值，拟合输出红外激光波长的真实值和标称值进行线性拟合获得真实值和标称值的线性拟合曲线；

步骤2，脉冲差频激光器根据设定的大步波长扫描范围以及真实值和标称值的线性拟合曲线进行大步长扫描，使得输出红外激光波长满足大步波长扫描范围，并通过调整大步波长扫描范围，获得具有单一吸收峰的CO₂吸收谱；所述的大步波长扫描范围包括起始波长、终止波长和波长间隔，起始波长和终止波长位于CO₂吸收峰位置理论值两侧；