一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光譜儀系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光譜儀系統。包括信號饋入單元、光學色散單元和信號檢測單元。信號饋入單元采用一根芯徑0.6 mm、數值孔徑0.12的光纖將傳導的信號光饋入光學色散單元；光學色散單元包含兩組級聯的準Littrow結構布局的光柵色散系統，能高效傳輸并以1.0 mm nm?1的線色散率將393.0?424.0nm范圍通帶信號光在焦面上色散，同時對帶外354.8 nm附近光產生優于6個數量級的抑制；信號檢測單元能以0.8 nm的譜精度分辨與記錄色散后的通帶信號光。在354.8 nm紫外激光輻射下，氣態、液態和固態水的振轉Raman譜區依次對應395?409 nm、396?410 nm和401?418 nm范圍；本發明通帶光譜范圍覆蓋了三相態水的振轉Raman譜區，實現對三相態水Raman譜信號的同時檢測，還能對354.8 nm附近光信號產生大幅抑制。
【專利說明】
一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光譜儀系統
技術領域
[0001]本發明涉及一種能同時檢測由氣態、液態和固態水產生的振轉Raman譜信號的雙 光柵光譜儀系統。
【背景技術】
[0002] 水是自然條件下唯一能在大氣中以三相態存在的物質。水汽在大氣中時刻存在， 云是液水或冰水的主要載體。水汽與云在大氣中的存在與變化，都會直接對大氣環境等產 生巨大影響。精確掌握大氣水的含量、分布及相態等信息在許多大氣研究領域是非常必要 的。實現對大氣水的高精度探測需要付出極大的技術努力。水Raman激光雷達利用水的振轉 Raman譜探測大氣水，擁有高時空分辨率的優勢。具備光譜分辨能力的水Raman激光雷達系 統，理論上能同時檢測由三相態水產生的Raman譜信號，進而實現對大氣中三相態水的同時 尚精度探測。
[0003] 在激光雷達系統中引入Raman光譜技術實現對大氣中三相態水的同時高精度探 測，核心難點在于高效的、具有適當色散能力的R a m a n光譜儀系統的構造：其一，分子的 Raman散射相對于彈性的Mie/Rayleigh散射而言是一種效率極低的散射，導致Raman散射信 號在強度上往往要比彈性散射信號弱3-6個數量級，這要求光譜儀系統能夠從極強的彈性 干擾信號中有效檢出極弱的Raman目標信號。其二，水汽在大氣中的含量相對N2和〇2分子而 言要少很多，而液態或冰態水的含量通常比水汽含量還少，進而由大氣水產生的Raman回波 極弱，這要求光譜儀系統能盡量高效提取并傳輸水Raman信號。其三，三相態水的振轉Raman 譜在頻譜上部分交疊，譜峰位置也互不相同。例如，在354.8nm紫外激光照射時，由固態、液 態和氣態水產生的振轉Raman譜依次分布在395-409nm、396-410nm和401-418nm范圍，譜峰 值依次位于399nm、401-403nm(與溫度相關)及407.5nm。這要求光譜儀系統具備恰當的光譜 范圍與光譜分辨能力，能夠有效記錄并還原由三相態水產生的振轉Raman譜。最后，在與激 光雷達的光學接收系統配合工作時，要求光譜儀系統擁有高效的信號傳輸方式，保證激光 雷達系統整體光路布局靈活、緊湊與穩定。當前，常見的商用光譜儀往往不能方便地與激光 雷達光學接收系統直接連接，不利于系統整體光路的布局，同時難以靈活地按照預定色散 方式將三相態水Raman譜信號在空間上展開并與后續的探測器配合，以充分發揮激光雷達 高時空分辨率的優勢。綜合考慮以上因素，針對性地構造出高效的、擁有適當色散能力的光 譜儀系統，對研制具有譜分辨能力的能同時探測大氣中三相態水的Raman激光雷達系統是 非常有幫助的。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提出了一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光譜儀系 統，該系統能同時分辨并記錄由三相態水產生的振轉Raman譜信號。系統由信號饋入單元、 光學色散單元和信號檢測單元三部分組成，其中信號饋入單元提供方便靈活的光學接入方 式，實現信號的傳導與饋入；光學色散單元實現對覆蓋三相態水Raman譜區的393.0- 424 ? Onm范圍光的高效傳輸并以1 ? Omm nnf1的線色散率在空間上色散開來，并大幅抑制 354 ? 8nm附近光;信號檢測單元實現以0 ? 8nm的譜精度分辨與記錄色散后的通帶信號光。
[0005] 為了實現上述目的，本發明提供的技術方案是：
[0006] 一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光譜儀系統，該系統由信號饋入單 元、光學色散單元和信號檢測單元等三部分組成。信號饋入單元由一根芯徑0.6mm、數值孔 徑0.12的多模光纖組成;光學色散單元由透鏡1與光柵1、透鏡2與光柵2等組成;信號檢測單 元包含一個陣列式多通道的探測器。
[0007] 光纖出端口中心精準位于透鏡1的焦點上。經光纖傳導的信號光通過光纖出端口 后，首先照射由透鏡1和光柵1組成的第一級光柵色散系統。透鏡1直徑100mm，焦距300mm，雙 面鍍增透膜，對393.0-424.Onm范圍光透過率大于99%;光柵1為平面反射式閃耀光柵，刻線 密度600gr mnf1，閃耀波長410nm，閃耀角度6.89°，工作角度9.27°，衍射級次為一級。透鏡1 和光柵1準Littrow結構布局，將入射信號光初步色散后匯聚在透鏡1焦面上。其中，波長在 393.0-424. Onm范圍光對應的一級衍射光點能夠通過透鏡1焦面上長8mm X寬5mm的預留矩 形小孔;波長354.8nm附近光對應的一級衍射光點匯聚在透鏡1焦面上不同位置且不能通過 矩形小孔。經過矩形小孔的信號光接著照射由透鏡2和光柵2組成的第二級光柵色散系統。 透鏡2直徑100mm，焦距400mm，雙面鍍增透膜，對393.0-424. Onm范圍光透過率大于99 % ;光 柵2為平面反射式閃耀光柵，刻線密度為600gr mnf1，閃耀波長410nm，閃耀角度21.10°，工作 角度21.72°，衍射級次為三級。透鏡2和光柵2同樣準Littrow結構布局，將393.0-424. Onm范 圍內入射信號光以1.0mm nnf1的線色散率進一步色散后匯聚在透鏡2焦面上。探測器包含32 個線陣排列的探測通道，單通道光敏面物理尺寸為〇 . 8mm X 7.0mm，相鄰探測通道之間有 0.2mm的死區間隔，通道間距1.0mm。探測器光敏面準確定位在透鏡2焦面上，每個探測通道 光敏面長7.0mm邊都平行于鉛直方向，最終以0.8nm的譜精度分辨與記錄色散后的通帶信號 光。
[0008] 第一級和第二級光柵色散系統的焦面在同一鉛直面內，光軸在同一水平面內相互 平行且間距53 ? 69mm。整個雙光柵光譜儀系統通帶光譜區為393 ? 0-424 ? Onm范圍，在354? 8nm 紫外激光輻射時覆蓋了三相態水的振轉Raman譜區；通帶內線色散率為1.0mm nnf1，并對帶 外354.8nm附近光產生優于6個數量級的抑制。
[0009] 如上所述的一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光譜儀系統，采用一根 芯徑0.6mm、數值孔徑0.12的光纖將傳導的信號光饋入光學色散單元，光纖出端口中心精準 位于透鏡1焦點上。
[0010] 如上所述的一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光譜儀系統，采用準 Li ttrow結構布局的兩組級聯的光柵色散系統實現對393.0-424. Onm范圍光的高效傳輸并 以1.0mm nnf1的線色散率在焦面上色散開來，同時對帶外354.8nm附近光產生優于6個數量 級的抑制。第一級光柵色散系統由透鏡1和光柵1組成:透鏡1直徑100mm，焦距300mm，雙面鍍 增透膜，對393.0-424.Onm范圍光透過率大于99% ;光柵1為平面反射式閃耀光柵，刻線密度 為600gr mm S閃耀波長410nm，閃耀角度6.89°，工作角度9.27°，衍射級次為一級。第二級光 柵色散系統由透鏡2和光柵2組成:透鏡2直徑100mm，焦距400mm，雙面鍍增透膜，對393.0-424. Onm范圍光透過率大于99% ;光柵2為平面反射式閃耀光柵，刻線密度600gr mnf1，閃耀 波長410nm，閃耀角度21.10°，工作角度21.72°，衍射級次為三級。兩級光柵色散系統的焦面 在同一鉛直面內，光軸在同一水平面內相互平行且間距53.69mm。
[0011] 如上所述的一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光譜儀系統，系統能以 0.8nm的譜精度分辨與記錄在393.0-424. Onm范圍譜信號，在354.8nm紫外激光輻射時可實 現對三相態水的振轉Raman譜的測量。
[0012] 與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果：
[0013]提供靈活方便的光學接入與信號傳輸方式;產生對應393.0-424. Onm范圍的通帶 光譜區，對通帶內信號高效傳輸并以1.0mm nnf1的線色散率在空間上色散開來，對帶外 354 ? 8nm附近光大幅抑制;能以0 ? 8nm的譜精度分辨與記錄通帶范圍內譜信號。
[0014]為保證靈活方便的系統接入與信號傳輸方式，采用單光纖接收、傳導信號光，并在 光纖出端口將傳導的信號光以準"點光源"的方式饋入色散系統。為實現通帶光譜區393.0_ 4 2 4.0 n m范圍內信號的高效傳輸：光纖出端口中心精確定位在透鏡1焦點上，光纖芯徑 0.6mm，數值孔徑為0.12，確保自光纖導出的光能100 %照射透鏡1;透鏡1和透鏡2雙面鍍增 透膜，保證393.0-424. Onm范圍內光能高效透過，單次透過率優于99 % ;光柵1和光柵2選用 鍍A1膜的平面反射式閃耀刻劃光柵，閃耀波長410nm，工作角度接近閃耀角，保證393.0-424.Onm范圍內光都具有高衍射效率。為讓通帶光譜區內信號按既定方式色散:透鏡1焦距 設為300mm，光柵1刻線密度為600gr mm S工作角度9.27°，衍射級次為一級，二者準Littrow 結構布局，實現通帶內信號的初步色散;透鏡2焦距取為400mm，光柵2刻線密度為600gr mm 一1，工作角度21.72°，衍射級次為三級，二者準Littrow結構布局，對通帶內信號進一步色散； 設置兩級色散系統共焦面且光軸水平間距53.69mm，最終系統整體的線色散率為1.0mm nm 一1。為實現對帶外354.8nm附近光的大幅抑制:第一級光柵色散系統衍射回的在354.8nm附近 光對應的一級衍射光點被物理隔離而不能通過焦面上預留小孔；兩塊光柵級聯實現對 354 ? 8nm附近光優于6個數量級的抑制。
[0015]信號檢測單元中的探測器包含32個線陣排列的探測通道，單通道光敏面物理尺寸 為0.8mm X 7.0_，相鄰探測通道之間有0.2mm的死區間隔，通道間距1.0mm。探測器光敏面準 確定位在透鏡2焦面上，每個探測通道光敏面長7.0mm邊都平行于鉛直方向。在色散系統 1.0mm nnf1線色散率的條件下，探測器與色散系統配合，實現以0.8nm的譜精度分辨與記錄 色散后的通帶信號光。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明實施例的雙光柵光譜儀系統光路原理框圖。
【具體實施方式】
[0017]本發明的關鍵在于采用一根芯徑〇.6mm、數值孔徑0.12的光纖傳導信號光;采用兩 組級聯的準Li ttrow結構布局的光柵色散系統實現對393.0-424. Onm通帶范圍光的高效傳 輸并以1.〇mm nnf1的線色散率在焦面上色散開來，同時對帶外354.8nm附近光產生優于6個 數量級的抑制;采用一個陣列式多通道的探測器實現以〇.8nm的譜精度分辨與記錄通帶范 圍內譜信號。
[0018]本發明由三部分組成，即信號饋入單元、光學色散單元和信號檢測單元。如附圖1。 [0019] 信號饋入單元由光纖組成，采用美國Fiberguide公司芯徑0.6mm、數值孔徑0.12的 單根多模光纖將傳導的信號光饋入光學色散單元。光學色散單元由透鏡1與光柵1、透鏡2與 光柵2組成。透鏡1與透鏡2采用定制的雙面鍍增透膜的透鏡，直徑100mm，焦距分別為300mm 與400mm，對393.0-424. Onm范圍光透過率大于99%。光柵1和光柵2選用美國Newport公司鍍 A1膜平面反射式閃耀光柵，閃耀波長410nm，實際工作角度接近閃耀角度，保證在393.0-424.0nm范圍光具有高衍射效率。光柵1刻線密度600gr mm-S閃耀角度6.89°，工作角度 9.27°，衍射級次為一級;光柵2刻線密度600gr mnf1，閃耀角度21.10°，工作角度21.72°，衍 射級次為三級。透鏡1與光柵1、透鏡2與光柵2都準Littrow結果布局組成單光柵色散系統， 兩個色散系統共焦面且光軸水平間距定為53.69mm，二者級聯后實現通帶光譜區為393.0-424.Onm范圍且對應1.0mm nnf1線色散率。在系統焦面上指定位置處預留長8mmX寬5mm矩形 小孔，保證通帶光譜區內信號對應的一級衍射光點可通過小孔并隨后照射第二級光柵色散 系統，同時354.8nm附近光對應的一級衍射光點不能通過矩形小孔而被物理隔絕，最終雙光 柵光譜儀系統實現對354.8nm附近光優于6個數量級的抑制。探測器選用德國Licel公司生 產的多通道數據采集系統，其光電轉換器件為日本Hamamatsu公司H7260系列線陣光電倍增 管，具體包括32個探測通道，單通道光敏面為7mm X 0 ? 8mm矩形，通道間距1mm，通道死區間隔 0.2mm;將探測器光敏面精準定位在光譜儀系統焦面上，與色散系統配合最終實現以0.8nm 的譜精度分辨與記錄通帶范圍內譜信號。表1為本發明實施例的各光學元件的光學參數表， 如下：
[0020]表 1
【主權項】
1. 一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光譜儀系統，其特征在于:包括信號饋 入單元、光學色散單元和信號檢測單元;信號饋入單元包括一根芯徑0.6mm、數值孔徑0.12 的多模光纖；光學色散單元包括由透鏡1與光柵1、透鏡2與光柵2構成的兩組級聯的準 Littrow結構布局的光柵色散系統，透鏡1和光柵1組成第一級光柵色散系統，透鏡2和光柵2 組成第二級光柵色散系統;信號檢測單元包含一個陣列式多通道的探測器； 信號饋入單元采用一根芯徑〇.6mm、數值孔徑0.12的多模光纖將傳導的信號光饋入光 學色散單元，光纖出端口中心精準位于透鏡1焦點上； 光學色散單元采用準Littrow結構布局的兩組級聯的光柵色散系統實現對393.0-424 .Onm范圍光的高效傳輸并以1.0mm Mf1的線色散率在焦面上色散開來，同時對帶外 354.8nm附近光產生優于6個數量級的抑制； 信號檢測單元以0. Snm的譜精度分辨與記錄色散后的通帶信號光。2. 如權利要求1所述的一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光譜儀系統，其特 征在于:所述多模光纖出端口中心精準位于透鏡1的焦點上，經光纖傳導的信號光通過光纖 出端口后，首先照射由透鏡1和光柵1組成的第一級光柵色散系統;透鏡1和光柵UtLittrow 結構布局，將入射信號光初步色散后匯聚在透鏡1焦面上;其中，波長在393.0-424. Onm范圍 光對應的一級衍射光點能通過透鏡1焦面上長8mmX寬5mm的預留矩形小孔;波長354.8nm附 近光對應的一級衍射光點匯聚在透鏡1焦面上不同位置且不能通過矩形小孔;經過矩形小 孔的信號光接著照射由透鏡2和光柵2組成的第二級光柵色散系統；透鏡2和光柵2準 Littrow結構布局，將393.0-424. Onm范圍入射信號光以1.0 mm nnf1的線色散率進一步色散 后匯聚在透鏡2焦面上。3. 如權利要求2所述的一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光譜儀系統，其特 征在于： 所述陣列式多通道的探測器包含32個線陣排列的探測通道，單通道光敏面物理尺寸為 0.8_ X 7. Omm，相鄰探測通道之間有0.2mm死區間隔，通道間距1.0 mm; 探測器光敏面準確定位在透鏡2焦面上，每個探測通道光敏面長7. Omm邊都平行于鉛直 方向，最終以0.Snm的譜精度分辨與記錄色散后的通帶信號光。4. 如權利要求3所述的一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光譜儀系統，其特 征在于： 所述第一級和第二級光柵色散系統的焦面在同一鉛直面內，光軸在同一水平面內相互 平行且間距53.69mm。5. 如權利要求4所述的一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光譜儀系統，其特 征在于： 所述透鏡1直徑100mm，焦距300mm，雙面鍍增透膜，對393.0-424. Onm范圍光透過率大于 99% ;光柵1為平面反射式閃耀光柵，刻線密度600gr mnf1，閃耀波長410nm，閃耀角度6.89°， 工作角度9.27°，衍射級次為一級； 所述透鏡2直徑IOOmm，焦距400mm，雙面鍍增透膜，對393.0-424. Onm范圍光透過率大于 99%;光柵2為平面反射式閃耀光柵，刻線密度為600gr Hinf1，閃耀波長410nm，閃耀角度 21.10°，工作角度21.72°，衍射級次為三級。6. 如權利要求1-5中任意一項所述的一種同時檢測三相態水Raman譜信號的雙光柵光 譜儀系統，其特征在于：以O · 8nm的譜精度分辨與記錄在393 · 0-424 · Onm范圍譜信號，在 354.8nm紫外激光輻射時實現對三相態水的振轉Raman譜的測量;通帶內線色散率為1.0 mm ηπΓ1，并對帶外354.8nm附近光產生優于6個數量級的抑制。
【文檔編號】G01J3/44GK105928618SQ201610227322
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月13日
【發明人】柳付超, 易帆, 張云鵬, 余長明, 何裕金, 翁淼, 易洋
【申請人】武漢大學