虚像相位阵列在高光谱分辨率大气激光雷达中的关键技术研究

As the active laser remote sensing technology the high spectral resolution lidar (HRSL) has a great value in atmospheric optical research. The ability of separating different kinds of scattering spectra is the core competence of HRSL. .In the research a brand new spectral disperser, based on virtually imaged phased array (VIPA) and diffracting grating, is introduced. Because of the 2 dimensions spectra dispersion patterns the valid spectra range will be more than 20GHz with 100MHz spectra resolution. This disperser is fit for separating the aerosol Mie scattering and molecular Rayleigh scattering in atmosphere. . In the research, the optimized parameters of VIPA, diffraction grating and other optical elements will be studied by theoretical analysis and Zemax software simulations. Then using narrow linewidth continuously tunable laser and planar detectors, the 2 dimensions dispersion law will be tested and calibrated in the lab. Then the disperser will be adopted in our atmospheric HRSL system for field testing of atmosphere parameters and wind field..The spectra disperser can also be used in other high spectra resolution researches and measurements, such as Raman spectroscopy, laser induced plasma spectroscopy, laser fluorescence spectroscopy, laser Brillouin spectroscopy, and so on.

高光谱分辨率激光雷达（HRSL）是一种主动激光遥感技术，在大气测量中有重要的应用价值。HSRL核心技术能力是在光谱上能够同时分离多种散射机制。本研究中采用一种基于虚像相位阵列（VIPA）和衍射光栅结合的新型光谱色散技术，其色散输出为二维光谱，有效光谱范围大于20GHz，光谱分辨率小于100MHz。在大气激光雷达中，该光谱色散技术可直接分离气溶胶米散射和大气分子瑞利散射，实现高光谱分辨率探测。本研究拟首先开展理论计算和仿真分析，确定VIPA、衍射光栅和相关器件优化参数。进而利用窄带可调谐连续可调谐激光器和面阵探测器搭建试验系统，测试并标定VIPA和衍射光栅的二维光谱色散特性。随后将该光谱色散系统应用于现有的高光谱分辨率大气激光雷达中，进行大气参数、大气风场等测量。本研究的相关技术也可应用到拉曼散射、激光诱导等离子体、激光荧光、激光布里渊散射等高分辨率光谱探测中。

基于虚像相位阵列（VIPA）和衍射光栅结合的新型光谱色散技术，其色散输出为二维光谱，具有有效光谱范围大、光谱分辨率高的特点。本项目主要研究了500nm附近基于VIPA和衍射光栅的光纤输入高光谱分辨率测量系统的理论、性能和应用。.首先研究了VIPA和衍射光栅色散机理，根据VIPA和衍射光栅的色散公式，确定了影响光谱成像的关键参数。开发了基于Matlab的VIPA和衍射光栅光谱色散系统分析程序，计算出关键参数对光谱色散的影响，得到优化的系统参数。在ZEMAX软件下开发了基于VIPA和衍射光栅系统光谱成像模型，其中利用ZEMAX的嵌套模式实现了VIPA的模型。开发的Matlab程序和ZEMAX仿真模型可以应用于可见光波段、近红外波段等基于VIPA和衍射光栅光谱色散系统。.根据计算和仿真所确定的优化参数，搭建了基于VIPA和衍射光栅的光纤输入高光谱分辨率测量系统。利用线宽小于1MHz的532.1nm和491nm双波长输出激光器作为光源对系统进行了测试，验证了基于VIPA和衍射光栅的光纤输入高光谱分辨率测量系统的有效性。测试结果表明，接收采用可见光单模保偏光纤具有高的光谱分辨率，但输入光耦合效率低是很大的限制。.利用基于VIPA和衍射光栅的光纤输入高光谱分辨率测量系统开展了水体散射测量研究。利用科研级CMOS探测器接收光谱图像，首先测试了简单的前向接收光路。为有效抑制透过光信号，采用了离轴抛物面前向散射接收测量光路。随后还利用ICCD作为探测器测试了90º方向散射接收光路。水体散射测量研究表明为了在微弱光信号下获得好的光谱测量效果，需要优化光路设计、优化系统参数等，这是今后的研究重点。.针对基于VIPA和衍射光栅的光纤输入高光谱分辨率测量系统在激光雷达中的应用，研制了基于FPGA的多通道光子探测系统。.本项目研究的基于VIPA和衍射光栅的光纤输入高光谱分辨率测量系统，可应用到如激光拉曼散射、激光诱导等离子体、激光荧光、激光布里渊散射等高分辨率光谱探测中。