钠激光导星的共孔径发射接收与谱线匹配技术

研究了采用时间选通和共孔径方式的钠激光导星技术,并开展了钠信标发射接收实验研究。分析了钠原子共振散射与信标激光波长的匹配关系,介绍了钠信标激光器、距离选通装置、回光探测装置、同步控制装置等的研制工作。实验成功采集到了钠信标图像,通过分析回光图像随信标激光波长的变化规律,验证了波长匹配在钠激光导星中的重要性。     

人造钠信标角度非等晕性的实验研究

为实际验证较大角度偏移(θ≈50μrad)条件下人造钠信标探测光路与科学目标光路之间经历大气湍流波前畸变的相关特性及其影响,开展了基于时序同步探测的人造钠信标角度非等晕性实验测量研究,利用单哈特曼波前传感器实现了对自然星回光点阵以及50μrad角度偏移钠信标共振回光点阵的同步测量,获得了时序同帧钠信标与自然星回光的波前序列,并从两者波前二维分布及Zernike模式的统计相关性、非等晕误差的Zernike模式统计分布特性及其对目标成像影响等方面对实验结果进行了较全面的分析.结果表明,50μrad的角度偏离导致两者波前仅低阶模式之间保持着一定相关性(如第3—9阶),而非同轴钠信标偏离望远镜接收口径的大气湍流误采样带来其探测波前与自然星波前之间部分高阶模式相关性的严重退化,致使目标成像点扩散函数Strehl比(0.31—0.22)、光学质量β(2.70—3.35)的下降,该影响不容忽视.最后,依据实验大气条件完成非等晕误差测量结果与理论计算结果的对比分析,获得了理论与实验相符的结果.     

宏-微脉冲激光激发钠信标回波光子数的数值计算与探讨

当采用低功率的宏-微脉冲激光激发钠信标时, 尽管激光传输和钠信标光斑大小受到大气湍流影响, 但是钠信标具有回波光子数无起伏且激发品质因数高的优点. 除此之外, 宏-微脉冲激光激发钠信标还与激光的宏脉冲线型有关. 对于高斯线型的宏脉冲, 增大微脉冲的宽度有利于提高激发钠信标的品质因数和激发态概率. 为了获得更多的钠信标回波光子和较小的钠信标半径, 增大激光功率的同时要考虑良好的光束质量、适当的激光发射口径以及光谱宽度等影响因素. 因此, 优选宏-微脉冲激光的参数、发射口径、发射方式等对于激发优良特性的钠信标有着重要的现实意义.     

基于布洛赫方程的多色信标回波光子数数值仿真

信标技术历经了自然信标、瑞利信标、钠信标以及信标阵列的发展过程仍无法实现真正意义上的全天空覆盖,而多色信标是大口径地基自适应望远镜实现100%天空覆盖率的有效手段之一.但是现有的多色信标的仿真模型都存在着一定的不足,特别是对一级激发中间层钠原子形成多色信标的仿真模型无法准确计算出多色信标的回波光子数.本文提出了基于布洛赫方程的仿真模型,对一级激发中间层钠原子形成多色信标回波光子数进行数值仿真,充分考虑多普勒展宽、进出作用场、碰撞以及反冲作用的影响,并采用回光效率描述回波光子数的多少.仿真结果表明,存在最优的激光器线宽使得回光效率达到最大,若采用功率密度为10 W/m~2的激光器激发中间钠层,最优线宽为18 MHz,最大330 nm回光效率为0.907 Photons/[s·sr·atom·(W/m~2)].     

长脉冲keV X射线源的辐射特征

 利用神光Ⅱ第九路2 ns长脉冲激光束作用厚钛固体靶，研究了产生的keV X射线源的辐射区域和总辐射功率的时间行为。结果表明：在长脉冲激光作用厚固体靶时，硬X射线线辐射功率的时间行为以及辐射体积的时间行为与激光脉冲波形一致；长脉冲时，等离子体2维膨胀效应非常显著，keV X射线线辐射的径向辐射区域在激光焦斑尺寸附近达到饱和，导致X射线线辐射功率出现饱和，且keV X射线线辐射的辐射体积正比于焦斑尺寸的3次方。从理论和实验角度研究了在同样入射激光能量下，辐射功率随激光焦斑尺寸的变化关系，发现keV X射线线辐射的饱和辐射功率正比于焦斑尺寸的5/3次方，理论结果与实验结果一致。并讨论了相同基频输出激光能量下，keV X射线辐射总功率随激光波长的变化关系，发现即使考虑了倍频效率的影响，短波长激光仍然有利于keV X射线的发射。     

全固态腔外和频589nm钠信标激光器

钠信标和瑞利信标是目前科学家们仅能采用的两种人造激光信标,而其中钠信标相比瑞利信标高度更高、斜程误差更小,更适合用于人造激光信标,将会在天文观测中得到应用。因此研制钠信标光源对于自适应光学校正具有重要的意义。由于钠原子吸收特性,钠信标光源的中心波长必须与钠原子的D2a吸收线（589．159nm）对准,且激光线宽小于3GHz,因此突破大功率钠信标光源技术面临诸多困难与挑战。     

反冲和下抽运效应对大气中间层钠原子激发与辐射的影响

高亮度的激光钠信标有利于提高自适应光学波前探测的准确性和灵敏度,但是在激光与钠原子作用的过程中,反冲和下抽运限制了钠原子激发态概率的增长,减小了钠原子的自发辐射速率和回波光子数。通过对窄带/宽带激光与钠原子作用产生反冲和下抽运效应的研究,结果表明:对于低能量的连续激光与大气中间层钠层作用,窄带激光反冲和下抽运效应比宽带激光严重,但是自发辐射速率比宽带激光大很多,获得的回波光子数明显多于宽带激光;对于宽带激光,其激发的回波光子数较少,但是具有不易饱和、反冲效应小的优点。     

基于脉冲CO2激光锡等离子体光刻光源的极紫外辐射光谱特性研究

研究了不同条件下脉冲放电CO₂激光烧蚀平板锡靶产生的等离子体极紫外辐射特性, 设计并建立了一套掠入射极紫外平焦场光栅光谱仪, 结合X射线CCD探测了光源在6.5～16.8 nm波段的时间积分辐射光谱,得到了极紫外光谱随激光脉宽, 入射脉冲能量及背景气压的变化规律。实验结果发现：入射激光脉冲能量在30～600 mJ变化时,极紫外辐射光谱的强度随辐照激光脉冲能量的增加而增加, 但并不是线性关系, 具有饱和效应, 且产生极紫外辐射的脉冲能量阈值约为30 mJ,当激光脉冲能量为425 mJ时具有最高的转换效率,此时中心波长13.5 nm处2%带宽内的转换效率约为1.2%。激光脉冲半高全宽在50～120 ns范围内变化时, 极紫外辐射光谱的峰值位置均位于13.5 nm,光谱形状几乎没有什么变化, 但是脉宽从120 ns变到52 ns后,由于激光功率密度的提高,极紫外辐射强度也随之增强了约1.6倍。极紫外光谱的强度随背景气压的增大而迅速下降, 当腔内空气气压为200 Pa时, 极紫外辐射光子几乎被全部吸收,而当缓冲氦气气压为7×104 Pa时,仍能够探测到微弱的极紫外辐射信号,计算表明100 Pa的空气对13.5 nm极紫外光的吸收系数为3.0 m-1,而100 Pa的He气的吸收系数为0.96 m-1。     

基于超快激光调制的纳秒脉冲X射线发射源

面向基础科学与空间应用研究领域对小型化超快脉冲X射线发射源的需求,设计并研制了基于激光调制光源与光电阴极X射线管的超快脉冲X射线发生器,解决了传统X射线调制发射装置重复频率低、时间稳定性差、脉冲特性差等应用难题.本文主要开展了脉冲X射线发生器的超快调制控制模块研究,并利用基于预调制的激光控制光源实现了高时间精度、高时间稳定度的超快时变光子信号以及纳秒脉冲X射线产生.理论方面,建立了脉冲X射线发生器时间响应模型,分析了出射脉冲X射线的时域时间特性.实验方面,搭建了基于超快闪烁体探测器的脉冲X射线时间特性实验测试系统,测试了激光控制光源及脉冲X射线发射源的时间特性参数.实验结果表明脉冲X射线发生器可同时实现高重频(12.5 MHz)、超快脉冲(4 ns)、高时间稳定度(400 ps)特性,且与所建立的理论模型高度符合.相比于传统X射线调制方案,脉冲时间参数指标得到了大幅提升、应用场景获得了极大拓展,本项研究有望为实现超高时间稳定性、超快脉冲X射线发射源提供新思路.     

超短光脉冲波形对门模单光子探测的影响

采用两种不同的皮秒光脉冲波形进行了门模单光子探测实验.测量了单光子探测效率随探测器和超短脉冲光源之间的同步延迟细微调节时的变化曲线.结果表明：光脉冲波形直接影响光子到达时间与门脉冲时间窗口之间的精确同步和探测效率,使用其中一种脉宽较短的皮秒光脉冲时探测效率比使用另一种脉冲提高了约9%.     

基于光放大的长脉冲抽运太赫兹激光

为了获得较窄增益带宽、较大光强的太赫兹辐射,尝试了利用TEA CO₂激光器对6 W可调谐连续波CO₂种子激光实行双程光放大实验,以期望获得长脉冲、高峰值功率的抽运光.通过实验,获得了大约30倍的放大系数,放大光输出功率随种子光注入功率的增加而增加,其中10 P （20）支线表现更加突出,并且被放大的激光支线半峰全宽在14 μs左右.基于这种长脉冲抽运源,建立了一种产生脉冲太赫兹的动力学模型,给出了产生太赫兹辐射的饱和抽运光强表达式,确定了抽运光的光强范围.另外, 关键词： 激光物理 长脉冲 动力学模型 太赫兹激光     

湍流大气中激光聚焦光束后向散射的数值模拟

 对基于聚焦光束后向散射到达角起伏的湍流测量进行了数值模拟。通过近轴标量波动方程和分形相屏算法,提出了聚焦光束二次传输的数值模型,分别就固定点信标光源和聚焦光束后向散射的到达角起伏方差的统计特征进行了分析,并取得了很好的相关性,得出了可以从聚焦光束的回波图像信号里提取大气湍流信息的结论。讨论了聚焦距离对固定点光源和回波光束的到达角起伏方差相似度的影响。     

Statistical Properties of a Ring Laser with Injected Signal and Backscattering

The Statistical Properties of a homogeneously broadened ring laser with an injected signal are investigated and the normalized two-mode intensity auto-and cross-correlation functions are calculated by a full saturation laser theory with backscattering.The theoretical predictions are in good agreement with the experimental measurements.Further inverstigation reveals that the backscattering can reduce the fluctuations in the system while the full saturation effect plays a major role when the laser is operated above threshold.It is also quite important to notice that the injected signal can drive the weak mode from incoherent light to coherent light.     

背散射和饱和效应对双向环形激光场的影响

理论上分析了双向环形气体激光中背散射和饱和效应对光场统计性质的影响，求出了强度相关函数的有效本征值。与实验测量值比较表明，具有背散射的全饱和激光模型与实验吻合得更好，而其它激光模型偏差较大     

激光在水中气泡微粒的后向散射特性

从激光能量、目标位置、视场大小及气泡厚度等方面对气泡后向散射特性进行研究.采用实验方法研究脉冲激光气泡后向散射特性.实验结果表明,增大激光能量在一定程度上可以有效地改善气泡探测的效果,而气泡发生器位置和视场的合理选择使得气泡探测更容易些,气泡区域厚度的变化对气泡后向散射并没有明显的影响.该实验结论与蒙特卡洛数值模拟的结果一致.     

湍流廓线激光雷达的研制

 对采用光波波段测量大气湍流强度廓线的湍流廓线激光雷达进行了研究。利用焦点附近的大气瑞利后向散射作为测量信标测量湍流信息，当聚焦高度不同时，可以测得不同高度的整层信息,从而可以得到一系列高度的整层湍流信息，最后通过算法得到分层的大气湍流廓线。介绍了湍流廓线激光雷达系统的组成原理和系统结构，采用像增强器的控制系统使得系统的有效测试距离达到15 km；通过与传统测量方法的对比，得出了可以作为湍流强度廓线测量工具的结论。最后展望了该系统的应用前景。     

Dazzling effect of repetitive short pulse laser on TDI CCD camera

A dazzling experiment was performed on a 64-stage TDI CCD camera using a 20 Hz repetition frequency picoseconds pulse laser, during which we found a new dazzling effect in which the fringes appeared in the video of the camera beside the saturation spot induced by the laser. We considered it to be the scattered light of the repetition frequency laser pulse to have induced the phenomenon. Width and visibility of the fringes recorded the information of the scattered light, such as repetitive frequency, pulse width and intensity distribution. With the assumption that the laser pulse width is less than one stage integral time of TDI CCD, width expressions for the fringes and space between the fringes were given using the repetitive frequency of laser pulse, row output frequency and integral stage number of the TDI CCD camera.     

近距云雾回波蒙特卡罗模拟与实验测量

在激光引信中,云雾后向散射会产生引发虚警的回波信号。基于蒙特卡罗法对云雾回波信号进行了模拟仿真,并在云雾室内开展了测量实验,利用测量结果对理论模型进行了验证。研究结果表明:当发射脉冲宽度小于10 ns时,云雾散射回波展宽效应显著,且展宽效应主要是由多次散射产生的;激光回波的实验测量结果与理论计算结果吻合得较好,都近似为高斯波形,且其回波宽度的差别小于6%,回波功率差别小于30%。     

基于光纤中SBS相位共轭的自调Q光纤激光器

分析了利用光纤中的受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)相位共轭效应进行激光腔内调Q,产生ns量级脉冲激光的原理,并对利用该效应产生的激光脉冲波形和脉冲形成过程进行了数值模拟,得到的脉冲波形与SBS相位共轭反射率随时间变化曲线基本一致,表明利用光纤中的SBS相位共轭作用调Q具有可行性.据此,对采用单模光纤(single-mode fiber,SMF)作为SBS池的Er³⁺掺杂调Q光纤激光器进行实验研究.当单模光纤长度为1.5 m时,在45 mW的光抽运功率下得到脉宽约2.6ns,脉冲周期58.23ns,平均功率7.35mW的激光脉冲.进一步的研究表明:激光器中相位共轭镜的形成与SBS介质长度有关,SBS介质过长,斯托克斯线之间无固定的相位关系,不能形成相干叠加,SBS相位共轭腔不能形成;SBS介质过短,腔内正交偏振模光子寿命的改变使脉冲出现双峰现象.脉冲形成后其属性只与SBS动态属性有关.