[发明专利]一种分辨N2分子振转Raman谱的双光栅光谱仪系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种能分辨并检测由N₂分子产生的振转Raman谱信号的双光栅光谱仪系统。

背景技术

在极窄线宽(<0.1pm)激光的照射下，大气分子(主要包括N₂和O₂分子等)会与激光相互作用并产生次级辐射。次级辐射产生的光谱，同时包括弹性的Rayleigh谱和非弹性的Raman谱。Rayleigh谱相对发射激光波长无频移，与发射激光波长相同；Raman谱相对发射激光波长有频移，与发射激光波长不同。Raman谱包括纯转动Raman谱和振转Raman谱两种。纯转动Raman谱相对发射激光波长有一定频移，分居在发射激光波长两侧，不同分子产生的纯转动Raman谱在频谱上的分布不同并互相交叠。振转Raman谱相对发射激光波长有更大频移，在频谱上距离发射激光较远，由不同分子产生的振转Raman谱在频谱上也通常完全分离。

大气分子产生的Raman谱(包括谱强度和谱形)与温度相关，借助实测的分子Raman谱可以获取温度信息。由于不同分子产生的纯转动Raman谱在频谱上相互交叠，完全分辨并提取由单一分子产生的纯转动Raman谱非常困难，例如，要求光谱仪谱分辨精度必须达到1pm量级，传统的光谱仪是无法胜任这一工作的。与此不同的是，分子的振转Raman谱单谱线间距较大(例如，0.1nm量级)，故而分子的振转Raman谱在理论上是具有被光谱仪分辨并记录的可能性的。另外，与大气物质的弹性散射相比，分子的Raman散射是一种效率极低的散射，Raman散射信号通常在强度上比弹性散射信号弱3-6个数量级。为此，在提取分子的振转Raman谱信号时，需要高效传输目标信号，并产生对弹性强信号足够程度的抑制。

N₂分子在自然大气中丰度最大，体积占比78％，故在大气中由N₂分子产生的振转Raman谱信号通常最强。在波长354.8nm紫外激光辐射下，由N₂分子产生的Stokes振转Raman谱，在频谱上表现为一条条分立的谱线：中心波长为386.8nm，其Q支谱局限在极窄的频谱范围内(～0.3nm)，其O支与S支谱对称分布在中心波长两侧，且O支与S支谱各谱线在频谱上近似等间距(约为0.12nm)。设想能有一种分辨并记录N₂分子振转Raman谱的光谱仪系统，能灵活方便地接入激光雷达系统，通过对N₂分子振转Raman谱的测量及处理即可直接得到温度信息，这对温度的实时高精度探测是非常有帮助的。

发明内容

本发明的目的是提出了一种分辨N₂分子振转Raman谱的双光栅光谱仪系统，该系统能在354.8nm紫外激光辐射时实现对N₂分子振转Raman谱的测量。该系统由信号馈入单元、光学色散单元和信号检测单元等三部分组成，其中信号馈入单元提供方便灵活的光学接入方式，实现信号的传导与馈入；光学色散单元能高效传输并以8.3mm nm^-1的线色散率色散384.9-388.6nm范围通带信号光，同时对带外354.8nm附近光产生优于6个数量级的抑制；信号检测单元实现对在空间上色散开的通带范围内信号的分辨与记录。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种分辨N₂分子振转Raman谱的双光栅光谱仪系统，该系统由信号馈入单元、光学色散单元和信号检测单元三部分组成，信号馈入单元由芯径0.6mm、数值孔径0.12的集束光纤组成；光学色散单元由透镜1与光栅1、透镜2与光栅2等组成；信号检测单元包含一个阵列式多通道的探测器。