1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置及方法

1.本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置及方法。


背景技术：

2.激光雷达是一种先进的主动光学遥感仪器系统，具有时空分辨率高、测量精度高、探测距离远等优点。在大气探测方面，激光雷达可用于探测大气风场和温度场，云，臭氧，各类大气成分含量等，并能对污染物进行监测。高精度，高时空分辨率的大气参数对于研究大气的动力学过程，天气预报，建立大气模型，气象保障国防战略武器等具有重要的作用。
3.多普勒测风激光雷达的测风原理为，向大气发射激光脉冲，激光在传播路径上受到大气气溶胶粒子和大气分子的散射，光学望远镜收集后向散射信号后输入光学采集系统，通过分析发射激光的径向多普勒频移来反演风速。这种探测方法时空分辨率高、测量精度高，测量范围广。中国科学技术大学研制的微脉冲激光雷达采用人眼安全的1.5μm激光作为光源，其具有小型化、全光纤集成、低功耗、高稳定的优势，可昼夜连续观测，适合在机载、舰载、星载平台的恶劣环境下运行。虽然采用1.5μm光源具有显著优点，但是目前该激光雷达光源缺少绝对频率参考，具体而言，激光雷达系统中使用的绝对频率参考一般为原子或分子的无多普勒饱和吸收峰，例如钠d2a峰可以将激光频率绝对锁定在589.158nm。但是1.5μm为近红外区，没有可用的原子饱和吸收峰。因此由于1.5μm激光雷达系统中缺少绝对频率参考，因此种子光频率的漂移会直接引入风速测量的误差。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置及方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：根据本发明的一个方面，提供了一种1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置，包括：1548nm激光器，分两路输出激光，一路调制为脉冲激光以作为激光雷达发射光源，另一路为线偏振的连续波激光以作为连续波种子光；电光调制器，用于基于第一调制信号对所述连续波种子光进行相位调制；偏振调节模块，用于将经相位调制后的连续波种子光进行偏振态调节，以输出p偏振状态的激光；组合式法布里珀罗腔，包括：两片反射镜，在所述两片反射镜之间形成共焦式法布里珀罗腔，用于使所述p偏振状态的激光谐振产生谐振光，部分所谐振光作为反射光输出至所述偏振调节模块，另一部分所述谐振光作为透射光输出；乙炔气体吸收池，位于所述两片反射镜之间，用于使所述谐振光产生在1548nm处具有饱和吸收峰的饱和吸收光谱，所述乙炔气体吸收池的两端为布儒斯特窗口，使所述p偏振状态的激光以布儒斯特角入射所述布儒斯特窗口；以及腔长调制模块，用于基于第二调制信号对所述共焦式法布里珀罗腔的腔长进行调制，以及基于第二控制信号对所述共焦
式法布里珀罗腔的腔长进行调控；两个光电探测器，分别用于对所述偏振调节模块输出的所述反射光以及所述组合式法布里珀罗腔输出的所述透射光进行光电转换，得到反射信号和透射信号；频率锁定模块，用于将所述反射信号和第一调制信号进行混频解调得到第一误差信号，以及基于所述第一误差信号向所述1548nm激光器反馈第一控制信号，以将激光频率锁定至所述共焦式法布里珀罗腔的共振模；以及腔长锁定模块，用于将所述透射信号和第二调制信号在锁相环电路中进行混频解调得到饱和吸收光谱的一阶微分信号以作为第二误差信号，以及基于所述第二误差信号向所述腔长调制模块反馈所述第二控制信号，以将所述共焦式法布里珀罗腔的共振模锁定至乙炔的所述饱和吸收峰。
6.根据本发明的另一个方面，提供了一种如上所述的1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置的使用方法，包括：在利用电光调制器在第一调制信号的驱动下对1548nm激光器发出的连续波种子光进行相位调制后，利用偏振调节模块将所述连续波种子光调节为p偏振状态的激光；将所述p偏振状态的激光输入至带乙炔气体吸收池的组合式法布里珀罗腔产生谐振光，所述谐振光通过所述乙炔气体吸收池产生的饱和吸收光谱在1548nm处具有饱和吸收峰，其中，所述组合式法布里珀罗腔的腔长通过腔长调制模块在第二调制信号的驱动下进行调制；将部分所述谐振光作为反射光输出至偏振调节模块，通过所述偏振调节模块对所述反射光进行分离，并将部分所述谐振光作为透射光输出；利用两个光电探测器分别对所述偏振调节模块输出的所述反射光以及所述组合式法布里珀罗腔输出的所述透射光进行光电转换，得到反射信号和透射信号；利用频率锁定模块将所述反射信号和第一调制信号进行混频解调得到第一误差信号，基于所述第一误差信号向所述1548nm激光器反馈第一控制信号，以将激光频率锁定至所述共焦式法布里珀罗腔的共振模；利用腔长锁定模块将所述透射信号和第二调制信号在锁相环电路中进行混频解调得到饱和吸收光谱的一阶微分信号以作为第二误差信号，基于所述第二误差信号向所述腔长调制模块反馈所述第二控制信号，以将所述共焦式法布里珀罗腔的共振模锁定至乙炔的所述饱和吸收峰。
7.基于上述技术方案，本发明的1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置及方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：（1）本发明利用乙炔气体分子在1548nm处的饱和吸收峰作为绝对频率参考，通过将带布儒斯特角的乙炔气体吸收池置于共焦式法布里珀罗腔内，降低p偏振态激光通过乙炔气体吸收池的损耗以及增加p偏振态激光的吸收光程，从而产生足够强的饱和吸收峰，并且基于pdh（pound-drever-hall）技术，具体利用频率锁定模块将激光频率锁定至共焦式法布里珀罗腔的共振模，以及利用腔长锁定模块将共振模锁定至乙炔气体分子饱和吸收峰，从而可以完成近红外范围内激光雷达发射波长的绝对锁定。
8.（2）本发明方案可以解决1548nm多普雷测风激光雷达种子光频率漂移的问题，实现了大气风场数据的精确测量，对研究大气动力学过程、数值天气预报、大气模型等具有重要意义。
附图说明
9.图1是本发明的多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置的示意图；图2是本发明实施例的多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置结构图；
图3是本发明实施例的组合式法布里珀罗腔的结构图；图4是本发明实施例的带布儒斯特角的乙炔气体吸收池结构图；图5是本发明实施例的多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置的使用流程图；图6是本发明实施例的多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置的激光频率锁定流程图。
具体实施方式
10.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
11.在实现本发明的过程中发现，乙炔气体分子在1510nm到1540nm波长范围内存在大量吸收峰，该区间内的乙炔吸收峰较强，线强可达10-21-10-20
cm/molecule。但是在波长1548nm附近仅存在分子的泛音跃迁。泛音跃迁对应的吸收峰线强度很弱，一般小于10-23
cm/molecule。而本发明中通过提供足够长的吸收光程以及足够大的光功率，从而即使在乙炔气体分子在目标锁定波长处只存在较弱跃迁的情况下，仍可以产生足够强的饱和吸收峰。利用本发明中特定的锁定模块以该乙炔气体分子的饱和吸收峰为绝对频率参考，实现对多普勒测风激光雷达发射波长的绝对锁定。
12.具体而言，根据本发明的一些实施例，提供了一种1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置。图1是本发明的多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置的示意图，如图1所示，该装置包括：1548nm激光器1，分两路输出激光，一路调制为脉冲激光13以作为激光雷达发射光源，另一路为线偏振的连续波激光以作为连续波种子光；电光调制器5，用于基于第一调制信号对连续波种子光进行相位调制；偏振调节模块7，用于将经电光调制器5相位调制后的连续波种子光进行偏振态调节，以输出p偏振状态的激光；组合式法布里珀罗腔8，包括两片反射镜82、乙炔气体吸收池81以及腔长调制模块83，其中，在两片反射镜82之间形成共焦式法布里珀罗腔，用于使p偏振状态的激光谐振产生谐振光，部分所谐振光作为反射光输出至偏振调节模块，部分谐振光作为透射光输出；乙炔气体吸收池81位于两片反射镜82之间，用于使谐振光产生饱和吸收光谱，饱和吸收光谱对应于1548nm处具有饱和吸收峰，乙炔气体吸收池81的两端为布儒斯特窗口，使p偏振状态的激光以布儒斯特角入射布儒斯特窗口；以及腔长调制模块83，用于基于第二调制信号对共焦式法布里珀罗腔的腔长进行调制，以及基于第二控制信号对共焦式法布里珀罗腔的腔长进行调控；两个光电探测器9、10，分别用于对偏振调节模块7输出的反射光以及组合式法布里珀罗腔8输出的透射光进行光电转换，得到反射信号和透射信号；频率锁定模块11，用于将反射信号和第一调制信号进行混频解调得到第一误差信号，以及基于第一误差信号向1548nm激光器1反馈第一控制信号，以将激光频率锁定至共焦式法布里珀罗腔的共振模；腔长锁定模块12，用于将透射信号和第二调制信号在锁相环电路中进行混频解调得到饱和吸收光谱的一阶微分信号以作为第二误差信号，以及基于第二误差信号向腔长调制模块反馈第二控制信号，以将共焦式法布里珀罗腔的共振模锁定至乙炔饱和吸收峰。
13.根据本发明的实施例，利用电光调制器对连续波种子光进行相位调制后，调整连续波种子光以p偏振状态入射至组合式法布里珀罗腔内，可降低通过乙炔气体吸收池的光
损耗并增加吸收光程，从而在1548nm处产生足够强的饱和吸收峰。以该饱和吸收峰作为绝对频率参考，基于pdh技术，将第一调制信号与组合式法布里珀罗腔的反射信号比较得到第一误差信号，利用第一误差信号反馈控制1548nm激光器从而将激光频率锁定至共焦式法布里珀罗腔的共振模，以及将第二调制信号和共焦式法布里珀罗腔的透射信号通过锁相放大器得到第二误差信号，利用第二误差信号反馈控制腔长调制模块从而将共焦式法布里珀罗腔的共振模锁定至乙炔饱和吸收峰，由此完成近红外范围内激光雷达发射波长的绝对锁定。
14.根据本发明的实施例，1548nm激光器1用于输出1548nm种子光，选择乙炔气体吸收池81，基于组合式法布里珀罗腔所提供的吸收光程，使得乙炔气体在1548nm附近能够产生足够强的饱和吸收峰。乙炔气体的饱和吸收峰线特征线宽为1mhz左右，线宽足够窄，非常适合用于绝对锁定激光器频率。
15.根据本发明的实施例，图2是本发明实施例的多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置结构图，如图2所示，频率锁定模块11包括：第一信号发生器113，用于产生第一调制信号；双平衡混频器111，用于将反射信号和第一调制信号进行混频解调得到第一误差信号；以及第一pid（proportional integral derivative，比例-积分-微分）控制器112，用于基于第一误差信号生成向1548nm激光器1反馈的第一控制信号。
16.具体而言，双平衡混频器具有宽带高隔离特性，混频解调所得的该第一误差信号即为pdh误差信号，该第一误差信号经第一pid控制器进行比例-积分-微分处理后得到负反馈控制的第一控制信号，该第一控制信号作用于1548nm激光器1时，通过调整1548nm激光器1电流或压电陶瓷来改变输出波长。从而将激光频率锁定至共焦式法布里珀罗腔的共振模上。
17.根据本发明的实施例，如图2所示，腔长锁定模块12包括：第二信号发生器123，用于产生第二调制信号；锁相放大器121，用于将透射信号和第二调制信号混频解调，以第二调制信号为参考信号从透射信号中解调出饱和吸收光谱信号的一阶微分信号，以作为第二误差信号；第二pid控制器124，用于基于第二误差信号生成向腔长调制模块83反馈的第二控制信号；以及加法器122，用于将第二控制信号和第二调制信号相加后施加于腔长调制模块83。
18.具体而言，该一阶微分信号反映了锁定至共焦式法布里珀罗腔共振模的激光频率与乙炔饱和吸收峰之间的误差信息，当激光频率锁定至饱和吸收峰时，一阶微分信号应当趋近于0，由此该一阶微分信号作为第二误差信号经第二控制器进行比例-积分-微分处理后得到第二控制信号，该第二控制信号作用于腔长调制模块从而将共焦式法布里珀罗腔的共振模锁定至饱和吸收峰。
19.根据本发明的实施例，1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置还包括：采集模块，用于采集双平衡混频器111输出的第一误差信号和锁相放大器121输出的第二误差信号；计算机控制模块，用于根据采集模块采集的第一误差信号生成用于控制第一pid控制器112的第一pid驱动信号，以及根据采集模块采集的第二误差信号生成用于控制第二pid控制器124的第二pid驱动信号。
20.根据本发明的实施例，如图2所示，偏振调节模块7包括：二分之一波片71，用于对电光调制器输出的激光的偏振状态进行调节；偏振分束镜72，用于将经二分之一波片71输
出的激光调节为线偏振光，以及将组合式法布里珀罗腔8输出的反射光分离；法拉第旋光器73，用于将偏振分束镜输出的线偏振光旋光后得到p偏振状态的激光，以及将组合式法布里珀罗腔8输出的反射光旋光后输出至偏振分束镜72。
21.具体而言，二分之一波片71和偏振分束镜72相互配合可调整入射至组合式法布里珀罗腔8的激光强度，从而确保可以激发乙炔气体吸收池81内气体分子的跃迁。而法拉第旋光器73和偏振分束镜72配合可以调整入射至组合式法布里珀罗腔8的激光为p偏振状态。更具体地，法拉第旋光器73用于将偏振分束镜输出的入射线偏振光和组合式法布里珀罗腔输出的反射光分别旋光45
°
，以保证入射线偏振光与反射光可通过偏振分束镜进行较好地分离。
22.根据本发明的实施例，第一调制信号的调制频率为第二调制信号的调制频率的10倍以上。由此当激光频率较快地锁定至共焦式法布里珀罗腔的共振模时激发激光内光场，可基于一阶微分信号所反映的激光频率与乙炔饱和吸收峰之间的误差信息来将共焦式法布里珀罗腔的共振模锁定至乙炔饱和吸收峰，此时激光频率调谐至饱和吸收峰的中心频率，乙炔气体吸收池中径向速度为0的乙炔气体分子被内光场饱和，产生凹陷的饱和吸收峰。
23.根据本发明的实施例，如图2所示，1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定模块还包括保偏光隔离器4，设置于1548nm激光器1连续波种子光输出和偏振调节模块7之间，用于隔离返回的反射光；保偏激光放大器2，设置于1548nm激光器1连续波种子光输出和电光调制器5之间，用于将连续波种子光的功率进行放大；模式匹配透镜组6，设置于电光调制器5和偏振调节模块7之间，用于使连续波种子光的激光模式和共焦式法布里珀罗腔基横模匹配，并调整光斑大小和发射角；保偏光纤3，用于连接1548nm激光器1、保偏光隔离器4、保偏激光放大器2、电光调制器5和模式匹配透镜组6。
24.根据本发明的具体实施例，保偏光隔离器4为保偏光纤式隔离器，用于隔离返回光，保护1548nm激光器1。如图2中所示，保偏光隔离器4位于保偏激光放大器2和电光调制器5之间，但并不局限于此，也可设置于1548nm激光器1连续波种子光输出和保偏激光放大器2之间，或者设置于电光调制器5和模式匹配透镜组6之间。
25.根据本发明的具体实施例，保偏激光放大器2用于将连续波种子光功率放大以满足乙炔气体吸收池内激发分子跃迁的功率要求，例如可以是掺铒光纤放大器（edfa）。举例而言，1548nm激光器1为半导体激光器，用于输出10mw的1548nm连续波种子光，保偏激光放大器2将1548nm连续波种子光功率放大至500mw。如图2所示，保偏激光放大器2位于1548nm激光器1连续波种子光输出和保偏光隔离器4之间，但并不局限于此，也可设置于保偏光隔离器4和电光调制器5之间。
26.根据本发明的具体实施例，模式匹配透镜组6用于使连续波种子光的激光模式和共焦式法布里珀罗腔的基横模匹配。
27.根据本发明的具体实施例，图3是本发明实施例的组合式法布里珀罗腔的结构图，如图3所示，腔长调制模块83包括第一压电陶瓷831，与两片反射镜82的其中一片反射镜相连，第二信号发生器123的第二调制信号作用于第一压电陶瓷831从而对共焦式法布里珀罗腔的腔长进行调制，以及第二pid控制器124的第二控制信号作用于第一压电陶瓷831从而对共焦式法布里珀罗腔的腔长进行调整，使共焦式法布里珀罗腔的共振模锁定至乙炔气体
饱和吸收峰。
28.根据本发明的具体实施例，如图3所示，两片反射镜82为两片平凹镜，从而构建共焦式法布里珀罗腔，以起到光功率放大作用来产生足够强度的饱和吸收峰，两片平凹镜对应目标锁定波长镀有高反膜，以1548nm连续波种子光为例，两片平凹镜对应波长1548nm为高反镜。在其他实施例中，两片反射镜82也可以是两片球面镜。
29.根据本发明的具体实施例，如图3所示，组合式法布里珀罗腔还包括壳体84，用于安装乙炔气体吸收池81和两片反射镜82；吸收池调节模块，用于调整乙炔气体吸收池81的位置，以使激光以布儒斯特角入射至乙炔气体吸收池81；腔镜调节模块，用于调节两片反射镜82的位置，以构成共焦式法布里珀罗腔。
30.举例而言，吸收池调节模块包括三孔环85，设置于壳体与乙炔气体吸收池之间，三孔环85包括调节孔851以及旋钮852，旋钮852穿过调节孔851且抵接于乙炔气体吸收池81的表面，用于对乙炔气体吸收池81的角度位置进行调整。如图3所示，共设置有两个三孔环85，每个三孔环85上分别设置三组调节孔851以及旋钮852，均匀分布于三孔环85上，但并不局限于此，只要能够实现对乙炔气体吸收池的位置调整即可。
31.举例而言，腔镜调节模块包括调节环86，设置于壳体84与反射镜82之间，用于调节反射镜82相对于壳体84沿轴向移动，以及镜架87，设置于调节环86与反射镜82之间，用于调节反射镜82的角度。
32.根据本发明的具体实施例，图4是本发明实施例的带布儒斯特角的乙炔气体吸收池结构图，如图4所示，乙炔气体吸收池的布儒斯特窗口811使用b270材料，外径25mm，长度10cm；其采用一体式熔接制成，气密性良好，内部充有15mtorr的乙炔气体。
33.根据本发明的一些实施例，还提供了如上所述的多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置的使用方法，图5是本发明实施例的多普勒侧缝激光雷达发射激光波长绝对锁定装置的使用流程图，图6是本发明实施例的多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置的激光频率锁定流程图，如图5和图6所示，该方法包括步骤a~f。
34.在步骤a中，利用电光调制器5在第一调制信号的驱动下对1548nm激光器1发出的连续波种子光进行相位调制后，利用偏振调节模块7将连续波种子光调节为p偏振状态的激光。
35.根据本发明的实施例，如图6所示，在步骤a中，在多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置的连接状态为正常的情况下，利用第一信号发生器113产生例如5mhz的正弦信号作为第一调制信号。该第一调制信号施加至电光调制器5，用于对例如1548nm波长的连续波种子光的相位进行调制。
36.在步骤b中，将p偏振状态的激光输入至带乙炔气体吸收池的组合式法布里珀罗腔产生谐振光，谐振光通过乙炔气体吸收池产生的饱和吸收光谱在1548nm处具有饱和吸收峰，其中，组合式法布里珀罗腔的腔长通过腔长调制模块在第二调制信号的驱动下进行调制。
37.根据本发明的实施例，如图6所示，在步骤b中，利用第二信号发生器产生例如1khz的正弦信号作为第二调制信号。该第二调制信号施加到组合式法布里珀罗腔8的腔长调制模块83上。具体而言，该第二调制信号施加至第一压电陶瓷831上，用于对共焦式法布里珀罗腔的腔长进行调制。可以理解，由于第二调制信号的电压较低，因此其对激光频率的改变
很小。
38.在步骤c中，将部分谐振光作为反射光输出至偏振调节模块，通过偏振调节模块对反射光进行分离，将另一部分谐振光作为透射光输出。
39.在步骤d中，利用两个光电探测器分别对偏振调节模块分离的反射光以及组合式法布里珀罗腔输出的透射光进行光电转换，得到反射信号和透射信号。
40.在步骤e中，利用频率锁定模块将反射信号和第一调制信号进行混频解调得到第一误差信号，基于第一误差信号向1548nm激光器反馈第一控制信号，以将激光频率锁定至共焦式法布里珀罗腔的共振模。
41.根据本发明的实施例，在步骤e中，为了将激光频率锁定至共焦式法布里珀罗腔的一个共振模，探测反射光的光电探测器9输出的反射信号与第一调制信号通过双平衡混频器完成混频解调得到第一误差信号，即pdh误差信号。
42.进一步地，如图6所示，在根据第一误差信号判断误差不在设定范围的情况下，控制第一pid控制器基于第一误差信号向1548nm激光器反馈第一控制信号，以将激光频率锁定至共焦式法布里珀罗腔的共振模；在根据第一误差信号判断误差在设定范围的情况下，持续进行本步骤的操作以保证激光频率的持续锁定。
43.在步骤f中，将透射信号和第二调制信号在锁相环电路中进行混频解调得到饱和吸收光谱的一阶微分信号以作为第二误差信号，基于第二误差信号向腔长调制模块反馈第二控制信号，以将共焦式法布里珀罗腔的共振模锁定至饱和吸收峰。
44.根据本发明的实施例，如图6所示，在步骤f中，为了将共焦式法布里珀罗腔的共振模锁定至乙炔饱和吸收峰，探测透射光的光电探测器10输出的透射信号与第二调制信号在锁相放大器121混频解调，以第二调制信号为参考信号从透射信号中解调除饱和吸收光谱信号的一阶微分信号。具体而言，将透射信号接入锁相放大器121的信号通道，将第二调制信号接入锁相放大器121的参考通道，锁相放大器121的输出信号即为第二误差信号。
45.进一步地，在根据第二误差信号判断误差不为0的情况下，控制第二pid控制器基于第二误差信号向腔长调制模块反馈第二控制信号，以将共焦式法布里珀罗腔的共振模锁定至乙炔饱和吸收峰，在根据第二误差信号判断误差为0的情况下，由此完成了激光频率自动锁定至目标锁定波长例如1548nm，持续进行本步骤的操作以保证共振模的持续锁定。
46.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置，包括：1548nm激光器，分两路输出激光，一路调制为脉冲激光以作为激光雷达发射光源，另一路为线偏振的连续波激光以作为连续波种子光；电光调制器，用于基于第一调制信号对所述连续波种子光相位调制；偏振调节模块，用于将经所述相位调制后的所述连续波种子光进行偏振态调节，以输出p偏振状态的激光；组合式法布里珀罗腔，包括：两片反射镜，在所述两片反射镜之间形成共焦式法布里珀罗腔，用于使所述p偏振状态的激光谐振产生谐振光，部分所谐振光作为反射光输出至所述偏振调节模块，另一部分所述谐振光作为透射光输出；乙炔气体吸收池，位于所述两片反射镜之间，用于使所述谐振光产生在1548nm处具有饱和吸收峰的饱和吸收光谱，所述乙炔气体吸收池的两端为布儒斯特窗口，使所述p偏振状态的激光以布儒斯特角入射；以及腔长调制模块，用于基于第二调制信号对所述共焦式法布里珀罗腔的腔长进行调制，以及基于第二控制信号对所述共焦式法布里珀罗腔的腔长进行调控；两个光电探测器，分别用于对所述偏振调节模块输出的所述反射光以及所述组合式法布里珀罗腔输出的所述透射光进行光电转换，得到反射信号和透射信号；频率锁定模块，用于将所述反射信号和第一调制信号进行混频解调得到第一误差信号，以及基于所述第一误差信号向所述1548nm激光器反馈第一控制信号，以将激光频率锁定至所述共焦式法布里珀罗腔的共振模；以及腔长锁定模块，用于将所述透射信号和第二调制信号在锁相环电路中进行混频解调得到饱和吸收光谱的一阶微分信号以作为第二误差信号，以及基于所述第二误差信号向所述腔长调制模块反馈所述第二控制信号，以将所述共焦式法布里珀罗腔的共振模锁定至乙炔的所述饱和吸收峰。2.根据权利要求1所述的1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置，其特征在于：所述频率锁定模块包括：第一信号发生器，用于产生所述第一调制信号；双平衡混频器，用于将所述反射信号和第一调制信号进行混频解调得到第一误差信号；以及第一pid控制器，用于基于所述第一误差信号生成向所述1548nm激光器反馈的所述第一控制信号；所述腔长锁定模块包括：第二信号发生器，用于产生所述第二调制信号；锁相放大器，用于将所述透射信号和第二调制信号混频解调，以第二调制信号为参考信号从所述透射信号中解调出饱和吸收光谱信号的一阶微分信号，以作为第二误差信号；第二pid控制器，用于基于所述第二误差信号生成向所述腔长调制模块反馈的所述第二控制信号；以及加法器，用于将所述第二控制信号和所述第二调制信号相加后施加于所述腔长调制模
块。3.根据权利要求2所述的1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置，其特征在于，所述1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定模块还包括：采集模块，用于采集所述双平衡混频器输出的第一误差信号和所述锁相放大器输出的第二误差信号；计算机控制模块，用于根据所述采集模块采集的第一误差信号生成用于控制所述第一pid控制器的第一pid驱动信号，以及根据所述采集模块采集的第二误差信号生成用于控制所述第二pid控制器的第二pid驱动信号。4.根据权利要求1所述的1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置，其特征在于，所述偏振调节模块包括：二分之一波片，用于对所述电光调制器输出的激光的偏振状态进行调节；偏振分束镜，用于将经所述二分之一波片输出的激光调节为线偏振光，以及将所述组合式法布里珀罗腔输出的反射光分离；法拉第旋光器，用于将所述偏振分束镜输出的线偏振光旋光后得到所述p偏振状态的激光，以及将所述组合式法布里珀罗腔输出的反射光旋光后输出至所述偏振分束镜。5.根据权利要求4所述的1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置，其特征在于，所述法拉第旋光器用于将入射的所述线偏振光和反射光分别旋光45
°
。6.根据权利要求1所述的1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置，其特征在于，所述第一调制信号的调制频率为第二调制信号的调制频率的10倍以上。7.根据权利要求1所述的1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置，其特征在于，所述1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定模块还包括：保偏光隔离器，设置于所述1548nm激光器的连续波种子光输出和偏振调节模块之间，用于隔离返回的所述反射光；和/或保偏激光放大器，设置于所述1548nm激光器的连续波种子光输出和电光调制器之间，用于将所述连续波种子光的功率进行放大；和/或模式匹配透镜组，设置于所述电光调制器和偏振调节模块之间，用于使所述连续波种子光的激光模式和所述共焦式法布里珀罗腔的基横模匹配。8.根据权利要求1所述的1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置，其特征在于，所述组合式法布里珀罗腔还包括：壳体，用于安装所述乙炔气体吸收池和两片反射镜；吸收池调节模块，用于调整乙炔气体吸收池的位置，以使激光以布儒斯特角入射至所述乙炔气体吸收池；腔镜调节模块，用于调节所述两片反射镜的位置，以构成所述共焦式法布里珀罗腔。9.根据权利要求8所述的1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置，其特征在于：所述腔长调制模块包括第一压电陶瓷，与所述两片反射镜的其中一片反射镜相连；和/或所述吸收池调节模块包括三孔环，设置于所述壳体和乙炔气体吸收池之间，所述三孔环包括调节孔以及旋钮，所述旋钮穿过所述调节孔且抵接于所述乙炔气体吸收池的表面；
和/或所述腔镜调节模块包括调节环，设置于所述壳体与所述反射镜之间，用于调节所述反射镜相对于所述壳体沿轴向移动，以及镜架，设置于所述调节环与所述反射镜之间，用于调节所述反射镜的角度。10.如权利要求1至9任一项所述的1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置的使用方法，其特征在于，包括：在利用电光调制器在第一调制信号的驱动下对1548nm激光器发出的连续波种子光进行相位调制后，利用偏振调节模块将所述连续波种子光调节为p偏振状态的激光；将所述p偏振状态的激光输入至带乙炔气体吸收池的组合式法布里珀罗腔产生谐振光，所述谐振光通过所述乙炔气体吸收池产生的饱和吸收光谱在1548nm处具有饱和吸收峰，其中，所述组合式法布里珀罗腔的腔长通过腔长调制模块在第二调制信号的驱动下进行调制；将部分所述谐振光作为反射光输出至偏振调节模块，通过所述偏振调节模块对所述反射光进行分离，并将部分所述谐振光作为透射光输出；利用两个光电探测器分别对所述偏振调节模块输出的所述反射光以及所述组合式法布里珀罗腔输出的所述透射光进行光电转换，得到反射信号和透射信号；利用频率锁定模块将所述反射信号和第一调制信号进行混频解调得到第一误差信号，基于所述第一误差信号向所述1548nm激光器反馈第一控制信号，以将激光频率锁定至共焦式法布里珀罗腔的共振模；利用腔长锁定模块将所述透射信号和第二调制信号在锁相环电路中进行混频解调得到饱和吸收光谱的一阶微分信号以作为第二误差信号，基于所述第二误差信号向所述腔长调制模块反馈第二控制信号，以将所述共焦式法布里珀罗腔的共振模锁定至乙炔的所述饱和吸收峰。

技术总结
一种1548nm多普勒测风激光雷达发射激光波长绝对锁定装置及方法，该装置包括1548nm激光器，输出连续波激光；电光调制器，基于第一调制信号对连续波激光进行相位调制；偏振调节模块，调节连续波激光为P偏振状态；组合式法布里珀罗腔，包括：共焦式法布里珀罗腔；乙炔气体吸收池以及腔长调制模块；两个光电探测器，探测得到法布里珀罗腔的反射信号和透射信号；频率锁定模块，将反射信号和第一调制信号混频解调得到第一误差信号；以及腔长锁定模块，将透射信号和第二调制信号混频解调得到第二误差信号，基于第一误差信号和第二误差信号进行反馈控制以将激光频率锁定至乙炔饱和吸收峰。本发明解决了1548nm激光器频率漂移的问题，可实现大气风场数据的精确测量。大气风场数据的精确测量。大气风场数据的精确测量。


技术研发人员：孙磊磊 方欣 王冲 李陶 窦贤康
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2022.04.25
技术公布日：2022/5/25