一种用于自由空间气体遥感的多波段光纤激光模块的制作方法

1.本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种用于自由空间气体遥感的多波段光纤激光模块。


背景技术：

2.基于激光雷达的自由空间气体遥感技术是精准测量大气痕量气体浓度，尤其是温室气体浓度的重要手段，对于实施碳中和等重大战略具有十分重要的意义。目前气体遥感激光雷达所采用的激光光源主要为固体中红外激光器并结合光参量振荡器(opo)，结构复杂，稳定性较差且价格昂贵，而且一套激光光源只能测量一种气体浓度，要测量多种气体浓度，需要安装相应数量的激光雷达系统。
3.另外，气体遥感激光雷达通过采集大气粒子的后向散射信号进行探测，由于大气粒子的后向散射信号非常微弱，因而对激光光源的发射功率要求很高，而且微弱的后向散射信号还会导致采集的信噪比偏低，为信号有效提取带来了一系列问题，限制了激光雷达的探测性能。


技术实现要素：

4.为了解决现有气体遥感激光雷达激光光源所存在的问题，本发明提出了一种用于气体遥感激光雷达的光纤激光模块。该激光模块包括2n个光纤连续激光器、2n个单光路开关模块、2n
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1型信号合束器、分束器、激光脉冲调制模块，其中n为大于等于1的整数。
5.2n个光纤连续激光器以两个为一组分为n组，每一组对应测量一种待测气体浓度，一共可以测量n种气体。一组中的两个光纤连续激光器的其中一个输出波长位于待测气体吸收线中心的激光(on波长激光)，另一个输出波长与on波长靠近但是待测气体基本不吸收的激光(off波长激光)。2n个光纤连续激光器均依次与2n个单光路开关模块的输入光纤连接，2n个单光路开关模块的输出光纤依次与2n
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1型信号合束器的输入光纤连接。当测量第n种气体时，就选择该种气体对应的第n组激光器所连接的单光路开关模块，在所选择的两路单光路开关模块上分别施加具有相同频率和占空比的，但是相位相反的开关信号，使得当一路开关模块开启时，另一路开关模块处于关闭状态，从而所选择的两路连续激光在2n
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1型信号合束器的输出光纤处以时分复用的方式输出来完成该种气体的测量，剩余单光路开关模块在测量该种气体期间始终处于关闭状态。测量完成一种气体后，根据下一个待测气体选择激光的通路，并重复上述光路切换的过程完成气体浓度的测量，直到所有的待测气体全部被测量完毕。
6.2n
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1型信号合束器输出光纤与分束器连接，分束器将输入激光按一定比例分为两路，一路作为本振光直接输出到激光雷达系统，另一路作为信号光输出到激光脉冲调制模块中。激光脉冲调制模块将合束器输出的连续激光调制成为一定宽度的脉冲光信号。
7.激光调制模块输出脉冲光信号到光学放大模块中，光学放大模块对输入的脉冲光信号进行放大后输入到光纤环形器中。光纤环形器输出正向脉冲光信号到外部空间中，并
接收反向回波信号输出到激光雷达系统，光纤环形器这种分离反向信号的功能同时起到了隔离器的作用。
8.进一步的，所述光纤连续激光器的发射波长为0.9微米～2.5微米；所述光纤连续激光器输出的激光光谱线宽小于15khz；所述激光脉冲调制模块输出的脉冲宽度为0.1纳秒-2000纳秒。
9.进一步的，激光脉冲调制模块为声光调制器、电光调制器或磁光调制器，所述声光调制器还用于将输入的激光信号产生预设的频移。
10.进一步的，所述光纤环形器包括输入端、收发端和反向信号输出端，所述光纤环形器的输入端与光学放大模块连接；所述光纤环形器的反向信号输出端用于输出接收到的反向回波信号，光纤环形器可以同时起到隔离器的作用。
11.进一步的，所述光学放大模块输出的激光光谱线宽小于10mhz，所述光学放大模块输出的激光单脉冲能量为0.1微焦～2000微焦。
12.进一步的，所述光纤连续激光器为光纤激光器；所述光纤连续激光器、光开关、分束器、激光脉冲调制模块、光学放大模块和环形器之间均采用光纤连接。
13.综上所述，本发明提供了一种用于自由空间气体遥感的多波段光纤激光模块，包括：连续光模块、2n
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1型信号合束器、分束器、激光脉冲调制模块、光学放大模块和光纤环形器，其中，n为大于等于1的整数；
14.所述连续光模块包括2n个光纤连续激光器和2n个单光路开关模块，其中，2n个光纤连续激光器以两个为一组分为n组，每一组的两个光纤连续激光器的其中一个用于输出预设的on波长激光，另一个用于输出预设的off波长激光；
15.2n个光纤连续激光器均依次与2n个单光路开关模块的输入光纤连接，2n个单光路开关模块的输出光纤依次与2n
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1型信号合束器的输入光纤连接；
16.2n
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1型信号合束器输出光纤与分束器连接，分束器将输入激光按一定比例分为两路，一路作为本振光直接输出到激光雷达系统，另一路与激光脉冲调制模块连接；
17.激光脉冲调制模块用于将分束器输出的连续激光调制成为预定宽度的脉冲光信号；激光脉冲调制模块的输出端与光学放大模块的输入端连接；
18.光学放大模块的输出端与光纤环形器连接；
19.光纤环形器用于输出正向脉冲光信号，并输出接收到的反向回波信号。
20.本发明具有如下有益效果：
21.1、该激光模块为全光纤结构，无空间机械结构，具有优良的稳定性和散热性，而且大幅度减小了激光器的体积。
22.2、该激光模块通过选择切换相应波段连续光纤激光器即可实现多种气体的浓度探测，除连续光纤激光器和单光路开关模块之外的其他部件只需一套，相当于只用一套激光雷达系统就实现了多套传统激光雷达的探测效果，显著降低了系统成本和复杂度。
23.3、探测待测气体时，所有的连续激光器共享同一套激光脉冲调制模块、放大模块、电路系统和激光雷达系统，因而通过将on波长测量结果和off波长测量结果相除，就可以消除其他大气影响，只保留待测气体吸收的差异，从而得到更为精确的测量结果。
24.4、本发明在获得两路激光时分复用输出的同时，实现了在任意时刻只有一路激光输入到2n
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1型信号合束器中，将多路激光从时空上进行了分离，避免了不同通道之间串扰
所产生的底噪，大大增加了探测的精度和距离。
25.5、本发明在消除串扰影响的同时保留了多通道光开关快速切换光路的优点，激光模块输出的激光脉冲重复频率为khz量级，那么雷达系统的信号采集周期要与激光脉冲重复频率匹配，为us量级，这就要求多路激光的切换时间《1us。通过开关连续激光器来切换光路的所需时间至少为ms量级，大于雷达系统的信号采集周期，而本发明的多路激光的切换时间为ns量级，快速的光路切换不影响雷达信号采集。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术发明和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术发明，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
28.图1为本发明实施例提供的一种用于自由空间气体遥感的多波段光纤激光模块的结构框图；
29.图2为本发明实施例提供的一种用于自由空间气体遥感的多波段光纤激光模块工作的时序图。
具体实施方式
30.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术发明进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
31.实施例：
32.图1为本发明实施例提供的一种用于自由空间气体遥感的多波段光纤激光模块的结构框图。如图1所示，该光纤激光模块主要包括：连续光纤激光器1、单光路开关模块2、2n
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1信号合束器3、、分束器4、激光脉冲调制模块5、光学放大模块6、光纤环形器7，其中：
33.连续光纤激光器1数量为2n个，n为待测气体的种类数量，n为大于等于1的整数，以两个光纤激光器为一组，一组激光器对应一种待测气体，一共分为n组。一组中两个光纤激光器的其中一个输出波长位于待测气体吸收线中心的激光(on波长激光)，另一个输出波长与on波长靠近但是待测气体基本不吸收的激光(off波长激光)，n组激光器根据待测气体种类分别输出n种on波长激光器和n种off波长激光。
34.2n个连续光纤激光器1依次与2n个单光路开关模块2的输入光纤连接，单光路开关模块2具有控制光路通断的作用，当测量第n种气体时，就选择该种气体对应的第n组激光器所连接的单光路开关模块2，在所选择的两路单光路开关模块2上分别施加具有相同频率和占空比的，但是相位相反的开关信号，使得当一路开关模块开启时，另一路开关模块处于关闭状态，从而所选择的两路连续激光在2n
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1型信号合束器3的输出光纤处以时分复用的方
式输出来完成该种气体的测量，剩余单光路开关模块2在测量该种气体期间始终处于关闭状态。测量完成一种气体后，根据下一个待测气体选择激光的通路，并重复上述光路切换的过程完成气体浓度的测量，直到所有的待测气体全部被测量完毕。
35.与采用多通道光纤光开关的发明相比，本发明在获得两路激光时分复用输出的同时，实现了在任意时刻只有一路激光输入到2n
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1型信号合束器3中，将多路激光从时空上进行了分离，避免了不同通道之间串扰所产生的底噪。同时，本发明实现了多路激光的快速切换，激光模块输出的激光脉冲重复频率为khz量级，那么雷达系统的信号采集周期要与激光脉冲重复频率匹配，为us量级，这就要求多路激光的切换时间《1us。通过开关连续激光器来切换光路的所需时间至少为ms量级，大于雷达系统的信号采集周期，而本发明的多路激光的切换时间为ns量级，光路切换过程不影响雷达信号采集。
36.分束器4将2n
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1型信号合束器3输出的连续激光以预设的分束比分为两路，一路作为本振光直接输出到雷达系统中，另一路作为信号光输入到激光脉冲调制模块5。
37.激光脉冲调制模块5将分束器4输出的连续信号光调制为脉冲信号光后输出到光学放大模块6中。
38.光学放大模块6对输入的脉冲光信号进行放大后输入到光纤环形器7中。光纤环形器7输出正向脉冲光信号到外部自由空间中，同时接收反向回波信号经过光纤环形器7的反向信号输出端输出到激光雷达系统，光纤环形器这种分离反向信号的功能同时起到了隔离器的作用。
39.可选的，激光脉冲调制模块5为声光调制器、电光调制器或磁光调制器，所述声光调制器还用于将输入的激光信号产生预设的频移。
40.声光调制器(aom)模块具有特定频移量，本发明中以频移量为80mhz为例。激光器的主控电路板通过控制输入声光调制器模块的射频信号来控制声光的开关及开通门限宽度从而将连续激光截断成一定宽度(如几纳秒)的脉冲激光，此时开启时间将被记录为时序基准。
41.当然，电光调制器或磁光调制器及机械调制器等均可将连续的激光信号转化为脉冲光信号，只要能实现将输入的连续的激光信号调制为脉冲光信号输出功能，均适用于本发明。
42.所述连续光纤激光器1为光纤激光器；所述单光路开关模块2、2n
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1型信号合束器3、分束器4、激光脉冲调制模块5、光学放大模块6、光纤环形器7均为光纤器件；所述单光路开关模块2、2n
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1型信号合束器3、分束器4、激光脉冲调制模块5、光学放大模块6、光纤环形器7之间均采用光纤连接。
43.在一个实施例中，所述光纤连续激光器1的发射波长为0.9微米～2.5微米；所述光纤连续激光器1输出的激光光谱线宽小于15khz；所述激光脉冲调制模块5输出的脉冲宽度为0.1纳秒-2000纳秒。
44.在一个实施例中，所述光学放大模块6输出的激光光谱线宽是傅里叶变换的极限，说明本发明技术可以达到非常好的光束质量。所述放大模块输出的激光单脉冲能量为0.1微焦～2000微焦。
45.所述光纤环形器7包括输入端、收发端和反向信号输出端，所述光纤环形器的输入端与光学放大模块6连接；所述光纤环形器的收发端输出正向激光信号到外部自由空间中，
同时接收反向回波信号；所述光纤环形器的反向信号输出端用于输出接收到的反向回波信号，由于光纤环形器这种分离反向回波信号的特性，可以同时起到隔离器的作用。
46.下面，将从一个具体的应用场景中，就本发明的原理和实现方式进行详细阐述。以n为2为例，待测气体为co和h2o。
47.连续光纤激光器1一共有4台，分为两组，编号分别为01、02、03和04。01和02号激光器为一组，用于测量co，其中01号激光器输出on波长激光，激光波长为1568.035nm，02号激光器输出off波长激光，激光波长为1568.05nm。03和04号激光器为一组，用于测量h2o，其中03号激光器输出on波长激光，激光波长为1551.867nm，04号激光器输出off波长激光，激光波长为1551.97nm。两组激光器输出的激光光谱线宽均小于15khz，相对强度噪声《-140db/hz，边模抑制比》50db。
48.四台连续光纤激光器1分别与四个单光路开关模块2的输入光纤连接，单光路开关模块2的编号与连续激光器1一一对应，为01、02、03和04。四个单光路开关模块2的输出光纤依次与2n
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1型信号合束器3的输入光纤连接。测量co气体时，选择01号和02号这一组单光路开关模块，对这两个开关模块分别施加具有相同频率和占空比的，但是相位相反的开关信号，01和02号开关模块交替开启和关闭，使得01号和02号激光器的连续激光信号交替地从2n
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1型信号合束器3的输出光纤输出，在此期间，03号和04号单光路开关模块应保持关闭。测量h2o气体时，光开关2选择03号和04号激光器这一组激光器所对应通路，重复上述切换过程完成测量，在此期间，01号和02号激光器所对应通路保持关闭。
49.分束器4按预设分束比将2n
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1型信号合束器3输出激光分为两路，一路作为本振光输出到激光雷达系统中，另一路作为信号光输入激光脉冲调制模块5中。激光脉冲调制模块5为声光调制器(aom)，用于将连续信号光的一部分截断成脉冲信号光以及产生固定频移。脉冲信号光经过光学放大模块6放大后通过光纤环形器7，光纤环形器7向外部自由空间输出信号光，同时接受反向回波信号，反向回波信号经过光纤环形器7的反向信号输出端输出到激光雷达系统进行相干检测。
50.分束器4是一种特制的全光纤无源器件，输入端一根光纤，输出端两根光纤，可以按预定比例输出两路激光。
51.声光调制器(aom)模块是一种具有特定频移量的光纤声光调制器。本发明中以频移量为80mhz为例。激光器的主控电路板通过控制输入声光调制器模块的射频信号来控制声光的开关及开通门限宽度从而将连续激光截断成纳秒脉冲激光，此时开启时间将被记录为时序基准。当然，在一些具体的应用场景中，声光调制器也可以不产生频移，仅仅作为脉冲调制器件，产生脉冲光。
52.图2为本发明所述光纤激光模块在测量某种气体时，连续光纤激光器1、单光路开关模块2、激光脉冲调制模块5和输出激光脉冲之间的时序关系图，选定待测气体所对应的一组连续光纤激光器1后，两台激光器分别输出on波长连续激光和off波长连续激光。单光路开关模块2的施加信号为低电平时开关关闭，为高电平时开关开启，对这两个开关模块分别施加具有相同频率和占空比的，但是相位相反的开关信号，那么两个开关模块会交替开关，那么两路连续激光从2n
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1型信号合束器3中以时分复用的方式交替输出。激光脉冲调制模块5上加载有脉冲调制信号，将输入的连续激光截断为脉冲激光，由于输入的连续激光为on波长和off波长交替变化，最后输出的脉冲激光同样为on波长和off波长交替变化。以
激光脉冲调制模块5的脉冲调制信号为时序基准，单光路开关模块2的开关信号与其同步。
53.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。