[发明专利]一种高分辨紫外多波长光栅光谱仪装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光谱信号检测装置，具体是涉及将高分辨率平面反射光栅、准直镜和多组高反射平凹镜、光电倍增管相组合，建立一种高分辨紫外多波长光栅光谱仪装置，实现激光雷达尤其差分吸收激光雷达多波长回波信号的检测。

背景技术

差分吸收激光雷达是一种先进的主动遥测技术，利用待测气体在光路上不同波长的吸收特性实现大范围污染气体时空分布监测。差分吸收激光雷达回波信号包含多个波长的信号，并且含有天空背景辐射引起的散射光。因此，如何将多个波长的回波信号分离，并且有效抑制白天太阳辐射等强光干扰影响是差分吸收激光雷达技术的关键问题之一。

目前，差分吸收激光雷达多波长信号分光系统主要利用分光镜和滤光片组结构。该结构设计简单方便，并且也是最为常用的分光系统。同时滤光片结构也存在以下几种缺点：(1)滤光片在长期使用后容易老化，导致透过率下降，窄带滤光片对环境温度、湿度敏感，容易导致系统误差；(2)滤光片结构通常需要根据特定波长进行定制，对带宽进行控制，不易抑制相近波长散射光的干扰；(3)滤光片结构波长选择性较差，不易扩展为多波长和多通道信号的检测和接收。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，以一块高分辨率平面反射光栅为关键部件，将高分辨率平面反射光栅、准直镜和多组高反射平凹镜、光电倍增管相组合，提供一种高分辨率紫外多波长光栅光谱仪装置，实现激光雷达尤其差分吸收激光雷达多波长回波信号的接收和检测；该装置对温度、湿度、压力等环境变化反应不敏感，长期稳定性大大提高；该装置采用了一块高分辨率的平面反射光栅而具有高光谱分辨率，选择性好，特别适合多波长、多通道光信号检测；该装置带外抑制比大大增强，抗杂散光光干扰能力强。

本发明的技术方案为：一种高分辨紫外多波长光栅光谱仪装置，包括：小孔光阑、高反射准直镜、高分辨率平面反射光栅、三组高反射平凹镜、四组光电光电倍增管；所述小孔光阑、高反射准直镜、高分辨率平面反射光栅、三组高反射平凹镜、四组光电倍增管具有相同的中心高，依次搭载在一块光学平板上面，并由密闭的黑色箱体密封，避免白天散射光对光栅光谱仪的光干扰；所述小孔光阑用于限制激光雷达的视场角，在满足激光雷达视场角大于激光雷达发射单元发散角的条件的情况下，尽量减少小孔光阑直径以减小天空背景光；所述高反射准直镜为一块高反射平凹镜，采用了JGS1(即熔融石英)材料，具有优良的透紫外性能，为了提高高反射准直镜的反射率，镀高反射介质膜，对紫外波段的光信号具有98％以上的反射率；所述高反射准直镜将F数为10的光束准直后使多波长光束恰好完全覆盖高分辨率平面反射光栅，充分利用高分辨率平面反射光栅面元，提高光栅光谱仪的接收效率；所述高分辨率平面反射光栅为该装置的核心部件，由于不同波长光的衍射角度不同，可以将266nm、289nm、299nm、316nm四波长回波信号分离到不同的角度位置，所述三组高反射平凹镜和四组光电倍增管分别放置于266nm、289nm、299nm、316nm四波长回波信号的光学路径上，并通过调整三组高反射平凹镜角度，将266nm、289nm、299nm、316nm四波长回波信号精确会聚于四组光电倍增管内；所述三组高反射平凹镜均采用了JGS1材料，镀高反射介质膜增加反射率，对紫外波段的光信号具有98％以上的反射率；所述四组光电倍增管均采用了滨松公司生产的R7400-09型光电倍增管，有效接收口径为8mm，响应时间短，在200nm～300nm紫外波段量子效率高。

所述三组高反射平凹镜组由一块反射266nm波长光信号的直径为38mm圆形平凹镜、一块同时反射289nm、299nm波长光信号的长为76mm，宽为38mm的矩形平凹镜、一块反射316nm光信号的直径为38mm圆形平凹镜组成。

所述一种高分辨紫外多波长光栅光谱仪装置采用4320lines/mm的高分辨率平面光栅，四波长光栅光谱仪光谱分辨率为0.5nm，光学效率达到了40％以上；该装置采用了一块高分辨率的平面反射光栅而具有高光谱分辨率，选择性好，特别适合多波长、多通道光信号检测；该装置带外抑制比大大增强，抗杂散光光干扰能力强。

所述一种高分辨紫外多波长光栅光谱仪装置的F数需要配合激光雷达接收望远镜F数使用，使得多波长光栅光谱仪的F数等于激光雷达接收望远镜的F数。

所述一种高分辨紫外多波长光栅光谱仪装置的焦距为600mm，可根据情况进行改变，其焦平面位于四组光电倍增管处，因此可将四波长回波信号会聚于四组光电倍增管内。