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基于分子吸收的脉冲激光锁频方法研究

Pulse Laser Frequency Locking Method Based on Molecular Absorption

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摘要

在气象学中,温度、风场和气溶胶是描述大气状态的重要特征参量,也是气象预报和云系降水潜力的关键评测参量。因此,大气温度、风场和气溶胶的全天时、高时空分辨率探测[1-3],对于研究云的形成、降水及大气污染物的扩散机理、提高大气环境预警与预报准确度、研究全球气候变暖对策等具有极其重要的研究意义[4-6]。近年来,高光谱激光雷达作为一种具有高时空分辨率、高探测灵敏度和高光谱分辨率的主动遥感探测技术,已被广泛应用于大气特征参量探测、激光大气传输、全球气候预测、大气环境监测等研究领域[7-9]。通常,在光谱分辨率为476.1 MHz,波长为355 nm的条件下,大气气体吸收线半峰全宽中多普勒加宽处于0.01 cm-1量级;在光谱分辨率为2999.4 MHz,波长为355 nm的条件下,压力加宽为0.1 cm-1量级。以法布里-珀罗标准具和碘分子吸收池作为分光器件的高光谱激光雷达,其光谱分辨率可达百MHz量级[10]。然而,作为高光谱激光雷达激励源的脉冲激光的中心频率漂移会直接影响高分辨率分光器件的可靠性。因此,脉冲激光中心频率的稳定性是提高大气温度、风场和气溶胶探测精度的重要条件。为提高激光发射系统输出激光的频率稳定性,刘继桥课题组[11-12]针对多普勒测风激光雷达和高光谱分辨率气溶胶探测激光雷达的应用需求,结合碘分子吸收谱线分别搭建了两套结构紧凑的Pound-Drever-Hall激光稳频系统。Liu等[13]和Wu等[14-15]利用碘分子吸收光谱对种子激光器频率进行锁定,锁频后可以实现频率漂移小于百kHz的目的。然而,上述锁频系统都是针对种子激光器输出的连续激光进行锁频,而非对作为激光雷达激励光源的脉冲激光进行锁频。

Abstract

Pulsed laser frequency locking method based on molecular absorption is proposed to meet the requirement of Rayleigh high spectral resolution lidar for the frequency stability of pulsed laser emission unit. We construct a pulse laser frequency locking system based on the principle of iodine molecule absorption spectrum, using the GHz magnitude peak holding circuit, proportional integration differential (PID) control algorithm and temperature control system with accuracy of ±0.02 K. First, the accurate temperature-controlled iodine molecular absorption pool is measured by using BBO (β-BaB2O4) crystal frequency-multiplied 532 nm continuous laser, and the absorption spectra of its 1109 line at different temperatures are obtained, so as to determine the frequency discrimination curve. Second, using the fitting equation of frequency discrimination curve, the quantitative relationship between the change of pulse laser energy and the frequency shift and the measurement sensitivity are obtained. Finally, the PID control algorithm is used to compare the difference between the set value of frequency and frequency shift, and the difference is fed back to the seed laser in the form of voltage. The frequency shift of the pulse laser is compensated by changing the frequency of the seed laser, and then the dynamic frequency locking of the pulse laser is realized. The experimental results show that the frequency shift of the pulsed laser is less than ±2.2 MHz within 25 min, which can make Rayleigh high spectral resolution lidar achieve wind measurement error less than ±0.6 m/s and temperature measurement error less than ±0.5 K.

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补充资料

DOI:10.3788/AOS201939.1028005

所属栏目:遥感与传感器

基金项目:国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、陕西省教育厅重点实验室科研计划项目;

收稿日期:2019-04-08

修改稿日期:2019-07-08

网络出版日期:2019-10-01

作者单位    点击查看

闫庆:西安理工大学陕西省机械制造装备重点实验室, 陕西 西安 710048西安理工大学激光雷达遥感研究中心, 陕西 西安 710048教育部数控机床及机械制造装备集成重点实验室, 陕西 西安 710048
袁萌:西安理工大学激光雷达遥感研究中心, 陕西 西安 710048
何甜甜:西安理工大学激光雷达遥感研究中心, 陕西 西安 710048
陈宁:西安理工大学激光雷达遥感研究中心, 陕西 西安 710048
刘晶晶:西安理工大学激光雷达遥感研究中心, 陕西 西安 710048
辛文辉:西安理工大学激光雷达遥感研究中心, 陕西 西安 710048
王骏:西安理工大学陕西省机械制造装备重点实验室, 陕西 西安 710048西安理工大学激光雷达遥感研究中心, 陕西 西安 710048
华灯鑫:西安理工大学陕西省机械制造装备重点实验室, 陕西 西安 710048西安理工大学激光雷达遥感研究中心, 陕西 西安 710048教育部数控机床及机械制造装备集成重点实验室, 陕西 西安 710048

联系人作者:华灯鑫(dengxinhua@xaut.edu.cn)

备注:国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、陕西省教育厅重点实验室科研计划项目;

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引用该论文

Qing Yan,Meng Yuan,Tiantian He,Ning Chen,Jingjing Liu,Wenhui Xin,Jun Wang,Dengxin Hua. Pulse Laser Frequency Locking Method Based on Molecular Absorption[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(10): 1028005

闫庆,袁萌,何甜甜,陈宁,刘晶晶,辛文辉,王骏,华灯鑫. 基于分子吸收的脉冲激光锁频方法研究[J]. 光学学报, 2019, 39(10): 1028005

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