專利名稱：一種2μm全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種2 ym全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，特別是一種使用波 片與分光棱鏡相互膠合結構的人眼安全的2 u m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)。
背景技術：
現有的2 u m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)的結構設計中，都會用到諸如 分光鏡、會聚透鏡和波片等光學元器件和一些復雜的調整機構，目前，各國雷達設計師都在 追求2 y m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)的小型化，但是，他們最終設計的接收光學 系統(tǒng)包括很多分立的光學元器件，例如二分之一波片、四分之一波片、強激光偏振分光棱 鏡和聚焦透鏡等，如圖1所示，這不僅給調節(jié)帶來很多困難，而且由于需要的調整機構過多 占的空間大，同時相對成本高。不能滿足目前車載、機載和星載2 u m全光纖相干激光多普 勒測風雷達系統(tǒng)小型化的要求?？傊F有技術方案都不能滿足2 u m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)小型 化、可操作性強、調節(jié)簡單易行、穩(wěn)定性好、相對成本低的要求。
發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的任務是提供一種使用波片與分光棱鏡相互膠合的2 ym全光纖相 干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)。一方面，本發(fā)明提供一種2 u m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在 于該2 y m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)包括2 u m強激光偏振分光棱鏡、2 y m四 分之一波片和2 u m 二分之一波片，還包括擴束器和光學天線，且2 y m波片與2 y m強激光 偏振分光棱鏡相互膠合。所述2 ym強激光偏振分光棱鏡尺寸為12. 7X12. 7X12. 7mm，有 效通光口徑為10X10X10mm ；2 y m四分之一波片和2 y m 二分之一波片的口徑為12. 7mm, 有效通光口徑也為10mm ；2 ym強激光偏振分光棱鏡有兩個直角棱鏡組成，為了提高強脈沖 激光的損傷閾值，其中兩塊直角棱鏡的斜面上鍍了電介質多層偏光膜，在入射面和出射面 鍍了防反射多層膜和增加激光投射效率的高損傷閾值增透膜，其多層偏光膜、防反射多層 膜和增透膜的損傷閾值都在0. 5J/cm2左右，且棱鏡幾乎不發(fā)生光軸偏移和重影現象；2 y m 四分之一波片和2 P m二分之一波片膠合在2 P m強激光偏振分光棱鏡相鄰的兩個入射表面 上，且四分之一波片和二分之一波片光軸都與2 ym強激光偏振分光棱鏡光軸成45°。同 時，2 y m四分之一波片和2 u m 二分之一波片與2 u m強激光偏振分光棱鏡的膠合面都鍍有 多層高損傷閾值的增透電介質膜，其損傷閾值在0. 5J/cm2左右。所述擴束器放大倍數為2. 5 倍，所述光學天線采用收發(fā)合置離軸卡塞格倫結構，有效發(fā)射口徑為150mm，放大倍數為15 倍。當2 y m線偏振激光光源發(fā)射的S偏振光經2. 5倍擴束器擴束后垂直入射到2 u m強激 光偏振分光棱鏡上時，此時2 y m強激光偏振分光棱鏡對于S偏振光全透，透射的S偏振光 經2 y m四分之一波片后變成圓偏振光，圓偏振光通過15倍光學天線射向大氣，經大氣氣溶 膠粒子后向散射的圓偏振光又經過光學天線和2 u m四分之一波片變成P偏振光后垂直入射到2 u m強激光偏振分光棱鏡上，2 u m強激光偏振分光棱鏡對P偏振光全反，反射的P偏 振光經2 y m 二分之一波片后又變成了與2 y m激光器發(fā)射激光偏振態(tài)相同的S偏振光。上述2 y m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)中，所述2 y m強激光偏振分光棱 鏡由透明材料制成，所述透明材料包括K9玻璃、融石英、CaF2、MgF2、ZnSe、鍺片和硅片。上述2 y m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)中，所述2 y m強激光偏振分光棱 鏡電介質多層偏光膜含有增加S偏振光透射效率且具有高損傷閾值的增透膜。上述2 y m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)中，所述2 y m強激光偏振分光棱 鏡電介質多層偏光膜含有增加P偏振光反射效率且具有高損傷閾值的全反射膜。上述2 y m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)中，所述二分之一波片表面鍍有 增加偏振光透射效率且具有高損傷閾值的增透膜和保護膜。上述2 i! m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)中，所述四分之一波片表面鍍有 增加偏振光透射效率且具有高損傷閾值的增透膜和保護膜。本發(fā)明將波片與分光棱鏡相互膠合的結構巧妙地引入到了 2 ym全光纖相干激光 多普勒測風雷達系統(tǒng)中，提出了一種利用波片與分光棱鏡相互膠合的結構實現2 y m全光 纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)接收系統(tǒng)小型化的思想。采取上述技術方案，成功地解決了 2 u m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)接 收系統(tǒng)小型化的問題，此外本發(fā)明還具有可操作性強、調節(jié)簡單易行、穩(wěn)定性好等特點，且 兼?zhèn)湎鄬Τ杀镜偷膬?yōu)勢，在2 y m全光纖相干激光測風雷達領域具有很高的實用價值。
以下，結合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，其中圖1是一般的2 U m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)結構示意圖；圖2是一般的2 u m全光纖相干激光測風雷達接收光學系統(tǒng)中偏振分光棱鏡和波 片的位置結構示意圖；圖3是強激光偏振分光棱鏡的透射率曲線；圖4是四分之一波片與強激光偏振分光棱鏡相互膠合結構示意圖；圖5是四分之一波片與強激光偏振分光棱鏡相互膠合的2 u m全光纖相干激光多 普勒測風雷達系統(tǒng)結構示意圖；圖6是二分之一波片和四分之一波片與強激光偏振分光棱鏡相互膠合結構示意 圖；圖7是使用二分之一波片和四分之一波片與強激光偏振分光棱鏡相互膠合的 2 u m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)結構示意圖。
具體實施例方式在2 ym全光纖相干激光測風雷達接收光學系統(tǒng)中，偏振分光棱鏡和波片的位置 一般如圖2所示。其中，每個光學器件都固定在精細的多維調整架上，在保證一定工作距離 的情況下進行共軸調節(jié)。一般雷達系統(tǒng)中使用的都屬于強激光偏振分光棱鏡，其損傷閾值 都比較高，同時對于2 y m S偏振光透射率和對于P偏振光的反射率都極高，如圖3所示。 可以滿足2 ym相干激光測風雷達接收光學系統(tǒng)分光的要求。為了節(jié)省空間和降低成本，在2 ym相干激光測風雷達接收光學系統(tǒng)中可以把波片同強激光偏振分光棱鏡沿特定方向膠 合在一起使用，既可以保持強激光偏振分光棱鏡自身的性質，同時又可以發(fā)揮波片的作用， 可以實現2 y m相干激光測風雷達接收光學系統(tǒng)的小型化。圖4是四分之一波片與強激光偏振分光棱鏡相互膠合結構示意圖。包括預擴束器 401、2 y m強激光立方體偏振分光棱鏡402、四分之一波片403、二分之一波片404、光學天 線405和大氣406。所述2 iim強激光偏振分光棱鏡尺寸為12. 7 X 12. 7 X 12. 7mm，有效通光 口徑為10X10X10mm ；2 y m四分之一波片和2 y m 二分之一波片的口徑為12. 7mm，有效通 光口徑也為10mm ；2 ym強激光偏振分光棱鏡有兩個直角棱鏡組成，為了提高強脈沖激光的 損傷閾值，其中兩塊直角棱鏡的斜面上鍍了電介質多層偏光膜，在入射面和出射面鍍了防 反射多層膜和高損傷閾值的增透膜，其多層偏光膜、防反射多層膜和增透膜的損傷閾值都 在0. 5J/cm2左右，且棱鏡幾乎不發(fā)生光軸偏移和重影現象；2 y m四分之一波片膠合在2 u m 強激光偏振分光棱鏡入射面上，且四分之一波片光軸與2 u m強激光偏振分光棱鏡光軸成 45°。同時，2pm四分之一波片與2pm強激光偏振分光棱鏡的膠合面都鍍有多層高損傷閾 值的增透電介質膜，其損傷閾值在0. 5J/cm2左右。其中，2 y m強激光立方體偏振分光棱鏡402的分光部分表面207鍍有特殊的偏振 膜，此偏振膜的特點是針對特定S偏振光全反，與其特定S偏振方向正交的P偏振光則全 透，2 y m強激光立方體偏振分光棱鏡由高透過率材料制成，所述的高透過率材料包括K9玻 璃、融石英、CaF2、MgF2、ZnSe、鍺片和硅片等，其結構通常為平板型和立方體型，可以根據具 體需要任意選型。當入射S偏振光經預擴束器擴束后入射到分光面407時，調節(jié)偏振分光 鏡的分光面位置，使其絕大部分光透射，透射的S偏振光經過四分之一波片403變成圓偏振 光，此圓偏振光通過光學天線后進入大氣406，經過大氣206后向散射的圓偏振光經相同的 四分之一波片403，由于其偏振方向發(fā)生了變化，變成了 P偏振光，當入射到分光面207上時 反射膜起主導作用，絕大部分光被反射，反射線偏振光正入射到二分之一波片404進行偏 振態(tài)校正后又變成S偏振光。圖5是四分之一波片與強激光偏振分光棱鏡相互膠合的2 u m全光纖相干激光多 普勒測風雷達系統(tǒng)結構示意圖。包括2 y m連續(xù)線偏振激光種子源501、2 y m線偏振脈沖激 光放大器502、在線式光纖分束器503及504、2 ii m分光鏡505、預擴束器506、2 ii m強激光立 方體分光棱鏡507、四分之一波片508、45°平面反射鏡509及510、2 y m離軸卡塞格倫光學 天線系統(tǒng)511、二分之一波片512、2 y m單模光纖準直器513及514、在線式光纖合束器515 及516、2 ii m監(jiān)測探測器517和2 ii m平衡式光電探測器518。在收發(fā)合置的離軸卡塞格倫光學天線調試完畢之后，2 u m連續(xù)線偏振種子激光器 501發(fā)射的激光通過在線式光纖分束器608后分成兩束，其中一束種子光作為本振光，本振 光被在線式光纖分束器504分成兩束；另一束種子光移頻后注入到2 u m線偏振脈沖激光放 大器502中，經放大器放大的線偏振激光通過2 u m分光鏡505分成兩束，反射光被2 y m單 模準直器514耦合進入光纖與一束本振光通過在線式光纖合束器515合束后注入到2 u m 監(jiān)測探測器517的光敏面上，用來監(jiān)測種子源激光器頻率的穩(wěn)定性；而透射光被預擴束器 506擴束，擴束的線偏振光經2 u m強激光立方體偏振分光棱鏡507和四分之一波片508后 入射到兩塊45°平面反射鏡509和510上，之后進入光學天線511，最終射向大氣；被大氣 后向散射的光又依次經光學天線511、45°平面反射鏡509及510、四分之一波片508后被
52 U m強激光立方體偏振分光棱鏡507反射，反射光經二分之一波片512后被2 y m單模光纖 準直器513耦合進入光纖，進入光纖的線偏振激光與另一束本振光通過在線式光纖合束器 516合束后注入到2 u m平衡式探測器518光敏面上，這樣可以通過示波器觀察外差信號波 形，然后經后續(xù)的信號處理既可以反演出風場的相關信息。圖6是二分之一波片和四分之一波片與強激光偏振分光棱鏡相互膠合結構示 意圖。圖6和圖4的基本相同，差別在于將二分之一波片和四分之一波片與2 ym強 激光立方體偏振分光棱鏡膠合在了一起使用，所述2 ym強激光偏振分光棱鏡尺寸為 12. 7X12. 7X12. 7mm，有效通光口徑為10X10X10mm ；2 ii m四分之一波片和2 ii m 二分之 一波片的口徑為12. 7mm，有效通光口徑也為10mm ;2 y m強激光偏振分光棱鏡有兩個直角棱 鏡組成，為了提高強脈沖激光的損傷閾值，其中兩塊直角棱鏡的斜面上鍍了電介質多層偏 光膜，在入射面和出射面鍍了防反射多層膜和高損傷閾值的增透膜，其多層偏光膜、防反射 多層膜和增透膜的損傷閾值都在0. 5J/cm2左右，且棱鏡幾乎不發(fā)生光軸偏移和重影現象； 2 U m四分之一波片和2 P m 二分之一波片膠合在2 P m強激光偏振分光棱鏡相鄰的兩個入射 表面上，且四分之一波片和二分之一波片光軸都與2 u m強激光偏振分光棱鏡光軸成45°。 同時，2 y m四分之一波片和2 u m 二分之一波片與2 u m強激光偏振分光棱鏡的膠合面都鍍 有多層高損傷閾值的增透電介質膜，其損傷閾值在0. 5J/cm2左右。這樣的好處是節(jié)省了很 大的調節(jié)空間，同時節(jié)省了成本。圖7是使用二分之一波片和四分之一波片與強激光偏振分光棱鏡相互膠合的 2 ym全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)結構示意圖。圖7和圖5基本相同，差別在于二 分之一波片和四分之一波片與強激光偏振分光棱鏡膠合裝置用到了 2 ym全光纖相干激光 測風雷達接收光學系統(tǒng)中，對于2 ym強激光立方體偏振分光棱鏡和波片的裝調也比較容 易，同圖5相比較更加容易實現系統(tǒng)小型化的要求。最后應說明的是，以上各附圖中的實施例僅用以說明本發(fā)明的2pm全光纖相干 激光多普勒測風雷達系統(tǒng)的結構和技術方案，但非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了 詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換， 都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
一種2μm全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于該2μm全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)包括2μm強激光偏振分光棱鏡、2μm四分之一波片和2μm二分之一波片，還包括擴束器和光學天線，且2μm波片與2μm強激光偏振分光棱鏡相互膠合。所述2μm強激光偏振分光棱鏡尺寸為12.7×12.7×12.7mm，有效通光口徑為10×10×10mm；2μm四分之一波片和2μm二分之一波片的口徑為12.7mm，有效通光口徑也為10mm；2μm強激光偏振分光棱鏡有兩個直角棱鏡組成，為了提高強脈沖激光的損傷閾值，其中兩塊直角棱鏡的斜面上鍍了電介質多層偏光膜，在入射面和出射面鍍了防反射多層膜和增加激光投射效率的高損傷閾值增透膜，其多層偏光膜、防反射多層膜和增透膜的損傷閾值都在0.5J/cm2左右，且棱鏡幾乎不發(fā)生光軸偏移和重影現象；2μm四分之一波片和2μm二分之一波片膠合在2μm強激光偏振分光棱鏡相鄰的兩個入射表面上，且四分之一波片和二分之一波片光軸都與2μm強激光偏振分光棱鏡光軸成45°。同時，2μm四分之一波片和2μm二分之一波片與2μm強激光偏振分光棱鏡的膠合面都鍍有多層高損傷閾值的增透電介質膜，其損傷閾值在0.5J/cm2左右。所述擴束器放大倍數為2.5倍，所述光學天線采用收發(fā)合置離軸卡塞格倫結構，有效發(fā)射口徑為150mm，放大倍數為15倍。當2μm線偏振激光光源發(fā)射的S偏振光經2.5倍擴束器擴束后垂直入射到2μm強激光偏振分光棱鏡上時，此時2μm強激光偏振分光棱鏡對于S偏振光全透，透射的S偏振光經2μm四分之一波片后變成圓偏振光，圓偏振光通過15倍光學天線射向大氣，經大氣氣溶膠粒子后向散射的圓偏振光又經過光學天線和2μm四分之一波片變成P偏振光后垂直入射到2μm強激光偏振分光棱鏡上，2μm強激光偏振分光棱鏡對P偏振光全反，反射的P偏振光經2μm二分之一波片后又變成了與2μm激光器發(fā)射激光偏振態(tài)相同的S偏振光。
2.根據權利要求1所述的2ym全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于，所 述2 y m強激光偏振分光棱鏡由透明材料制成。
3.根據權利要求2所述的2u m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于，所 述透明材料包括K9玻璃、融石英、CaF2、MgF2、ZnSe、鍺片和硅片。
4.根據權利要求2所述的2ym全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于，所 述2 y m強激光偏振分光棱鏡電介質多層偏光膜含有增加S偏振光透射效率且具有高損傷 閾值的增透膜。
5.根據權利要求2所述的2u m全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于，所 述2 y m強激光偏振分光棱鏡電介質多層偏光膜含有增加P偏振光反射效率且具有高損傷 閾值的全反射膜。
6.根據權利要求1所述的2ym全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于，所 述二分之一波片表面鍍有增加偏振光透射效率且具有高損傷閾值的增透膜和保護膜。
7.根據權利要求1所述的2ym全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其特征在于，所 述四分之一波片表面鍍有增加偏振光透射效率且具有高損傷閾值的增透膜和保護膜。
全文摘要
一種2μm全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)，其系統(tǒng)由擴束器、2μm強激光立方體偏振分光棱鏡、2μm四分之一波片、2μm二分之一波片、光學天線構成。本發(fā)明將波片與分光棱鏡膠合的裝置巧妙地引入到了2μm全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)中，提出了一種利用波片與分光棱鏡膠合的裝置實現2μm相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)接收系統(tǒng)小型化的思想。采取上述技術方案，成功地解決了2μm全光纖相干激光多普勒測風雷達系統(tǒng)接收系統(tǒng)小型化的問題，此外本發(fā)明還具有可操作性強、調節(jié)簡單易行、穩(wěn)定性好等特點，且兼?zhèn)湎鄬Τ杀镜偷膬?yōu)勢，在2μm全光纖相干激光測風雷達領域具有很高的實用價值。
文檔編號G01S17/95GK101825711SQ20091021740
公開日2010年9月8日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權日2009年12月24日
發(fā)明者李彥超, 王春暉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學