[发明专利]一种828nm大气水汽探测差分吸收激光雷达发射机系统

说明书

本发明公开了一种828nm大气水汽探测差分吸收激光雷达发射机系统，包括828nm连续波种子激光器，单纵模窄线宽脉冲Nd:YAG激光器，KTP环形腔光参量振荡器，基于水汽吸收的多通道吸收池的PDH种子激光波长稳定单元，基于扫描保持技术的光参量振荡器谐振腔腔长锁定单元。本发明能够产生适用于大气水汽探测的单频激光脉冲，是差分吸收激光雷达的核心结构。

技术领域

本发明涉及激光雷达遥感测量领域，也涉及一种地基或车载的大气水汽遥感仪器，尤其是一种探测大气水汽分布、工作在828nm波段的差分吸收激光雷达的发射机系统。

背景技术

激光雷达是以发射激光束来探测目标特征量的光学主动遥感设备，目前已成为探测大气成分及其垂直分布的最有效的手段之一。发射机发出5至200ns的超短激光脉冲，进入大气后在行进过程中不断与大气中的待测物质发生相互作用，其后向Raman散射、后向Mie散射和后向Rayleigh散射均可作为回波信号被望远镜接收，由光电探测器检测转换成电压信号送给模数转换器件以便于后续的信号处理与反演工作。

上世纪80年代以来，国际上相继建立基于多种平台探测对流层大气水汽廓线的差分吸收激光雷达。因为大气水汽主要集中在大气边界层，根据国际经验，机载和空间应用的差分吸收激光雷达，发射激光束由高层大气向低层大气传输，光束下行的路径上水汽浓度由低到高，对激光的吸收由弱到强，一般认为此时水汽对发射激光的吸收截面相对大些更为适宜；地基和车载差分吸收激光雷达探测由地表起至对流层顶的大气水汽含量，一般采用吸收截面相对小的815-820nm附近或720-730nm附近波段。

国际上已经建立的探测对流层水汽的地基差分吸收激光雷达发射机系统主要分为两大类，一类以低重复频率、大脉冲能量构建，如使用钛宝石激光器或翠绿宝石激光器。钛宝石激光器发射机采用了种子注入和谐振腔主动稳频技术，发射机的光谱性能较稳定，波长一般靠近钛宝石增益较高的波长815-820nm；翠绿宝石激光器一般工作在720-730nm的水汽吸收区，但在720-730nm波段大气分子后向散射产生的谱线展宽严重，反演误差增大。另一类使用重复频率高，脉冲能量很低的发射机，以二极管激光器和半导体放大器为核心，工作波长为823、828nm，这类激光雷达称之为微脉冲差分吸收激光雷达。

随着光参量振荡器技术不断进步和窄线宽单纵模Nd:YAG激光器的不断成熟，基于种子注入的光参量振荡器方法可以产生优良的828nm-828nm激光束，覆盖水汽的一个吸收光谱区，因而可以用作地基或车载差分吸收激光雷达探测大气对流层水汽廓线的激光发射机。

发明内容

本发明旨在提出一种工作在820～830nm波段的差分吸收激光雷达的发射机系统，这样做的目的在于进一步丰富用于水汽探测的差分吸收激光雷达构建手段，增强差分吸收激光雷达应用的普遍性。

所述激光雷达发射机系统包括单频泵浦激光器1、主动稳频的828nm种子激光器2、环形腔光参量振荡器3以及必要的光学镜片4～7，整体结构如图1所示。其中，采用种子注入的Nd:YAG激光器作为泵浦源，包括1064nm Nd:YAG光放大器1-1、二倍频晶体1-2、1064nmNd:YAG主振荡器1-3、1064nm种子源1-4。单频泵浦激光器1产生泵浦激光，到达R1064T532介质膜双色镜4时的泵浦激光同时包含1064nm成分和532nm成分。R1064T532介质膜双色镜4镀532nm减反射膜和1064nm高反射膜，使得532nm激光透过4进入环形腔光参量振荡器3，1064nm反射至1064nm反射镜5，并被5再次反射至R532T1064介质膜双色镜6。R532T1064介质膜双色镜6镀1064nm减反射膜和532nm高反射膜，使得1064nm透过6被释放掉。由环形腔光参量振荡器3出射的激光同时包含828nm成分和532nm成分，R532T828介质膜双色镜7镀828nm减反射膜和532nm高反射膜，使得828nm激光透过7进行发射，532nm激光被7反射至R532T1064介质膜双色镜6，并被6再次反射释放。