适用于差分吸收激光雷达测污染气体的激光源方法 本发明涉及激光光源，特别是测污激光雷达用激光光源。
近年来大气污染给人类生存带来的危害，受到世界各国领导和政府的重视。许多国家投入了大量的人力物力研究监测控制大气污染。用激光雷达测量大气中NO2,SO2和O3等污染气体，具有实时、快速探测三维空间的污染情况，探测范围大等较多的优越性。而这种差分吸收激光雷达用的激光源是非常重要的必备条件。用差分吸收激光雷达测量NO2,SO2和O3等污染气体必须有两个波长相近，而且要分别对应各污染气体的吸收峰和吸收谷的紫外激光作为发射光。国外一般采用在一个灯泵钛宝石激光器或532nm激光泵浦的染料激光器的振荡腔内，加入多个棱镜色散，选出所需要的基波光，然后再通过二倍频，三倍频来得到所需要的紫外激光，如果要交替输出两个紫外激光，还要在振荡腔内加入旋转折光四棱镜和二个全反镜，由于受色散元件色散率，结构复杂，使用条件苛刻等多种因素的限制，使这两种得到紫外激光的方法输出的激光线宽较大，中心波长不稳，能量起伏大，发散角较大，输出能量较小，不能很好地满足差分吸收激光雷达的需要，加之价格偏高(约168万人民币)，使得推广差分吸收激光雷达测污方法的应用受到很大的限制。
本发明目的是，提供一种适用于差分吸收激光雷达测量NO2,SO2和O3等污染气体的激光源的方法。
本发明方法，采用两路Q开关Nd:YAG激光器交替输出的1064.14nm激光经过二倍频和三倍频产生的354.713nm或经过二倍频和四倍频产生地266.035nm这两种紫外激光，分别作为产生受激喇曼激光的泵浦光；再依据NO2,SO2和O3的吸收曲线(见图1、图2和图3)，利用前述354.713nm和266.035nm作泵浦光，经受激喇曼散射公式计算，泵浦选定的CH4和D2两种气体作为喇曼介质的喇曼移频器，就能获得各组波长相近，交替输出并分别对应每种污染气体吸收峰和吸收谷的受激喇曼散射激光，满足差分吸收激光雷达测量污染气体的需要。
用本发明方法所产生的激光作为差分吸收激光雷达测污所需的光源，不需要色散元件调谐选择波长，即获得了测量NO2、SO2和O3所需要的各组紫外激光，克服了已有技术产生的紫外激光中心波光不稳，线宽较宽，能量较小，发散角大，使用维护条件高，价格贵等缺点，是一种较好的激光源。
下面详述本发明方法：
首先采用两路Q开关Nd:YAG激光器交替输出两束固定的1064.14nm激光经过二倍频和三倍频产生的两束354.713nm或是经过二倍频和四倍频产生的两束266.035nm这两种紫外激光，分别作为产生受激喇曼激光的泵浦光。
再根据NO2,SO2和O3的吸收曲线(见图1、图2和图3)，利用上述354.713nm和266.035nm作泵浦光，通过受激喇曼散射公式：υ~n=υ~0+nΔυ~······(1)]]>来计算各级受激喇曼散射光，其中，υ~n]]>为所获得的各级受激喇曼光波长的倒数(简称波数)：υ~0]]>为泵浦光波长的倒数。本发明选用和37589.04厘米-1=两种波长的光作泵浦光，Δυ~]]>为喇曼介质频移波数(单位均为厘米-1)。本发明选取甲烷(CH4)作喇曼介质，其喇曼频移波数为Δυ~-1]]>=2914厘米-1，选用氘(D2)作喇曼介质，其喇曼频移波数为Δυ~-2]]>=2991.39厘米-1。n=±1，±2…； 当n为正时，可获得各级反斯托克斯光，当n为负时，可获得各级斯托克斯光。本发明取n=-1时，即第一级斯托克斯光，因此，①式即为：υ~-1=υ~0-Δυ~······(2)]]>
根据上述公式②计算，用甲烷(CH4)、氘(D2)两种气体作为喇曼介质，就能获得各组波长相近，交替输出并分别对应每种污染气体吸收峰和吸收谷所需要的激光。具体如下表所列：被测气体泵浦光波长喇曼介质一级斯托克斯光波长及能量NO2354.713nmCH4395.60nm，＞8mJD2396.82nm，＞8mJSO2266.035nmCH4288.39nm，＞6mJD2289.04nm，＞6mJO3266.035nmCH4288.39nm，＞6mJ266.035nm，＞10mJ
实施本发明方法的器件，见附图4，图中：
1．为同步脉冲延时器；2、3为Nd:YAG激光振荡器和放大器；4、5为1064.14nm光倍频器；6、7为1064.14nm光三倍频或四倍频器；8为充高压CH4气的喇曼变频器；9为充高压D2气的喇曼变频器；10、11为光波长选择器。
附图说明：
图1，不同温度下的二氧化氮吸收截面；
图2，二氧化硫(SO2)和臭氧(O3)的吸收截面；
图3，臭氧(O3)的吸收截面；
图4，本发明方法器件方框图。
图中，1为同步脉冲延时器；2,3为Nd:YAG激光振荡器和放大器；4,5为1064.14nm光倍频器；6,7为1064.14nm光三倍频或四倍频器；8为充高压CH4气的喇曼变频器；9为充高压D2气的喇曼变频器；10,11为光波长选择器。
实施例：
1．测量二氧化氮(NO2)依据表1，泵浦光选用λ0=354.713毫微米(nm)=354.713×10-5厘米，其倒数Δυ~0]]>=28191.78厘米-1。
选取甲烷作喇曼介质，其喇曼频移波数Δυ~]]>=2914厘米-1。根据公式②，354.713毫微米激光泵浦甲烷的一级斯托克斯光波数υ~-11=υ~0-Δυ~1]]>=28191.78厘米-1-2914厘米-1=25277.78厘米-1，换算成波长λ-11=1/υ~-11]]>=3.9560×10-5厘米=395.60毫微米。再选取氘(D2)作喇曼介质，其喇曼频移波数υ~-12]]>=2991.39厘米-1，根据公式②，354.713毫微米激光泵浦氘(D2)的一级斯托斯光υ~-12=υ~-Δυ~2]]>=28191.78厘米-1-2991.39厘米-1=25200.39厘米-1，换算成波长λ-12=1/υ~-12]]>=3.9682×10-5厘米=396.82毫微米。
用上述方法获得的395.60毫微米和396.82毫微米两个波长的光与图1中二氧化氮相邻的吸收峰和吸收谷基本对应，因此能够满足差分吸收激光雷达测量二氧化氮的要求。
2．测量二氧化硫(SO2)的泵浦光用λ0=266.035毫微米=266035×10-5厘米，其倒数υ~0]]>=37589.04厘米-1；选取甲烷(CH4)作喇曼介质，根据公式②，266.035毫微米激光泵浦甲烷的一级斯克斯光波数为：υ~-13=υ~0-Δυ~1]]>=37589.04厘米-1-2914厘米-1=34675.04厘米-1，换算成波长λ-13=1/υ~-13]]>=2.8839×10-5厘米=288.39毫微米。再选取氘(D2)作喇曼介质，根据公式②，266.035毫微米激光泵浦氘的一级斯托克斯光波数为υ~-14=υ~0-Δυ~2]]>=37589.04厘米-1-2991.39厘米-1=34597.65厘米-1；换算为波长λ-14=1/υ~-14]]>=2.8904×10-5厘米=289.04毫微米，用上述方法获得的288.39毫微米和289.04毫微米两个波长的光与图2中二氧化硫相邻的吸收谷和吸收峰基本对应，能够满足差分吸收激光雷达测量二氧化硫的要求。
3．测量臭氧(O3)用一路266.035毫微米激光作为强吸收光，用另一路266.035毫微米激光泵浦甲烷产生的一级斯托克斯光288.39毫微米光作为弱吸收光，(参见测量二氧化硫部分)，参看图3所示臭氧的吸收截面曲线，可以得知这两种波长的光可作为差分吸收激光雷达测量臭氧的光源。
在差分吸收激光雷达中，按照上述方法计算，选出并获得的各波长激光作发射光，即可对大气中NO2,SO2和O3等污染气体进行测量。