[发明专利]一种紫外波段准单支纯转动拉曼谱线信号探测装置

说明书

技术领域

本发明属于激光大气遥感技术领域，具体涉及一种紫外波段准单支纯转动拉曼谱线信号探测装置。

背景技术

激光与大气气溶胶或大气分子相互作用，发生散射过程，其散射光包括弹性散射光和拉曼散射光。弹性散射光的频率与入射激光相同，拉曼散射光的频率与入射激光不同，并在入射激光频率两边呈对称分布，且靠近弹性散射光的频谱为纯转动拉曼散射谱，其中弹性散射光较低频率一侧的谱线为斯托克斯纯转动拉曼散射谱，弹性散射光较高频率一侧的谱线为反斯托克斯纯转动拉曼散射谱。纯转动拉曼散射谱强度包含温度和气溶胶消光等重要信息且容易被探测，同时纯转动拉曼激光雷达在探测过程中不需要假设大气静力学平衡，即使在湍流最多的对流层也可以正常测量，对工作环境要求相对较低，因此通过提取纯转动拉曼散射谱进行探测的激光雷达在大气遥感领域得到广泛应用。

目前国内外已经开展纯转动拉曼谱线信号探测装置的基础研究，并广泛应用于激光雷达中，该类探测装置主要包括以下几种：

1)武汉大学电子信息学院中高层大气实验室在2013年研制的DGP纯转动拉曼测温激光雷达采用双光栅多色仪系统来提取纯转动拉曼谱线。双光栅多色仪系统采用两个结构相同的光栅多色仪，带宽为0.5nm，同时提取N₂分子和O₂分子的斯托克斯和反斯托克斯纯转动拉曼低高阶散射谱线，低高阶散射谱线分别入射至两根光纤中进行传输，最终被光电探测器接收。由于该系统采用光纤光路结构，导致能量损耗大，信号传输效率降低，且光路调试复杂，对操作人员的专业技术要求很高；系统带宽为0.5nm，引入了较多的白天天空背景噪声，降低了探测信噪比，不适用于白天提取纯转动拉曼谱线。

2)德国霍恩海姆大学于2013年研制的RRL纯转动拉曼测温激光雷达采用小角度工作的干涉滤光片探测装置来提取纯转动拉曼谱线。该探测装置沿光轴方向依次摆放小角度工作的干涉滤光片，带宽为0.7nm，同时提取N₂分子和O₂分子的反斯托克斯纯转动拉曼低高阶散射谱线并通过光电探测器接收谱线信号。由于该探测装置具有较大的带宽，导致无法有效的压缩白天天空背景噪声，不适用于白天提取纯转动拉曼谱线。

3)德国亥姆霍兹研究中心在1996年研制的纯转动拉曼测温激光雷达采用铊原子气体滤波器和阶梯光栅相结合的探测装置来提取纯转动拉曼谱线。该探测装置先通过工作温度为950℃的铊原子气体滤波器滤除弹性散射光，再通过阶梯光栅的分光特性提取N₂分子和O₂分子的斯托克斯和反斯托克斯纯转动拉曼谱线。在该探测装置中，铊原子气体滤波器需在950℃工作环境下才可以良好地实现对弹性散射信号的抑制，增加了激光雷达的运行成本并存在安全隐患；同时由于原子气体滤波器通过原子蒸气的吸收或共振线工作，只能工作在特定波长，大大限制了探测装置的波段使用范围。

大气分子产生的单根纯转动拉曼谱线的微分后向散射截面与照射波长的四次方成反比，同时紫外波段的太阳辐照度小于可见光波段，因此为了提高探测信噪比并实现在白天有效提取大气分子的纯转动拉曼谱线，基于紫外激光辐射的纯转动拉曼谱线探测装置是最佳的选择。但是，紫外激光辐射产生的大气分子纯转动拉曼谱线间隔远小于可见光激光辐射产生的大气分子纯转动拉曼谱线间隔，且在转动量子数J相同的情况下，对应紫外激光辐射的纯转动拉曼谱线距离弹性散射信号更近，尤其在提取纯转动拉曼低阶谱线的过程中更容易受到弹性散射信号的干扰。例如，在354.82nm紫外激光辐射下，N₂分子纯转动拉曼谱线间隔为0.1nm，而在532nm可见光激光辐射下，N₂分子纯转动拉曼谱线间隔为0.22nm。同时，由于目前紫外波段滤光元件的工艺水平无法对距离中心波长1nm附近的波长产生很高的信号强度抑制，因此在谱线间隔为0.1nm的情况下，很难实现窄带宽提取纯转动拉曼谱线并对附近的弹性散射信号强度产生大于6个数量级的抑制。为此，研发一种在紫外激光辐射下通过窄带宽的方式提取大气分子纯转动拉曼谱线的探测装置，同时该探测装置在白天也能以较高的信噪比进行常规探测，这对帮助激光雷达实现大气温度和气溶胶参数的全天时探测具有非常重要的意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种紫外波段准单支纯转动拉曼谱线信号探测装置。