锶460.7 nm法拉第色散光学滤波器的滤波特性分析

分析了处于夫琅禾费暗线的Sr 460.7nm法拉第色散光学滤波器线翼和线芯工作的滤光特性,研究了磁场,温度和池长对滤波特性的影响,讨论了在其最佳的工作条件下,线芯透射率为95％,线宽为1．47GHz。     

降雨对532nm和1064nm激光传输的衰减特性研究

降雨会对激光信号产生严重的衰减,从而给激光目标探测的应用带来一定影响.激光在降雨中的传输衰减已在红外波段做了大量的实验研究,而可见光波段激光在雨中的传输衰减特性还未见报道.基于夫琅禾费衍射和几何光学散射理论,建立雨滴对532 nm绿激光和1064 nm近红外激光光束的传输衰减模型,对比分析两波长激光在不同降雨量下的衰减...     

夫琅禾费线对差分光学吸收光谱法测量大气污染气体影响的研究

使用差分光学吸收光谱仪进行大气环境测量，白天强烈的太阳散射光会叠加到测量光谱中，其中的夫琅禾费结构会对二氧化氮，甲醛，亚硝酸等的测量带来较大的影响.通过分析夫琅禾费结构，并且将其作为一种大气“成分”，数据反演时与其他大气成分一同拟合可以有效地影响降低其影响. 关键词： 太阳散射光 夫琅禾费结构 差分光学吸收光谱技术 大气污染     

夫琅禾费衍射的光谱特性

基于MATLAB语言,以夫琅禾费衍射为研究对象,数值模拟了夫琅禾费圆孔衍射和单缝衍射光谱特性,通过改变狭缝宽度和入射波的波长,数值模拟得到夫琅禾费单缝衍射的光强变化图和光谱特性图。结果表明,圆孔衍射的光强比单缝衍射的光强曲线在次级明纹的强度更加低,夫琅禾费衍射的结论与实际理论和试验吻合的较好。研究结果为夫琅禾费衍射的研究提供参考。     

在课堂演示实验中引入光学异常透射现象

本文讨论了如何在大学物理单缝的夫琅禾费衍射课堂演示实验中引入当前光学领域研究前沿的一个重要物理现象-亚波长金属缝异常光学透射现象.基于数值模拟,比较了在夫琅禾费衍射实验条件下,纳米尺寸单缝的异常光学透射和微米尺度单缝衍射的特点,讨论并指出纳米单缝的异常透射特征是纳米尺度光与物质强相互作用的反映,而这种强相互作用在微米尺度单缝的夫琅禾费衍射中是不显著的.最后对用于课堂演示的衍射实验装置的设计进行了讨论.     

使用分光计观测太阳光谱

采用分光计和光栅对太阳光谱进行观测,通过分光计的准直管使极窄的一束太阳光通过空间频率为1 200mm-1的闪耀光栅,在望远镜处观察到了若干条夫琅禾费线,测出了典型谱线的波长.通过分析光谱照片及分光计成像光路,利用几何关系及光学公式得到了亚纳米量级谱宽观测方法,并对典型夫琅禾费线宽进行了估算大致确定了夫琅禾费线的谱宽的范围.     

多功能夫琅禾费衍射演示仪的研制

针对目前国内夫琅禾费衍射演示仪存在的问题,研制了一种＂多功能夫琅禾费衍射演示仪＂,实现了26种衍射缝的夫琅禾费衍射的演示实验及相应的计算机（变参数）模拟仿真实验,具有演示与仿真一体化、演示种类多、演示效果明显,自动快速、使用方便、功能多样等特点,能够满足光学课程对夫琅禾费衍射进行演示实验的要求。     

紫外域波长选择对全天时水汽拉曼激光雷达探测性能的影响

Nd∶YAG激光器三倍频输出的354.7nm光和四倍频输出的266.0nm光都位于紫外波段,都可作为水汽拉曼激光雷达的激励光源;从水汽拉曼激光雷达系统的实际建设出发,分别从后向散射系数、消光系数、大气透过率、臭氧吸收和太阳背景噪声等方面对激光雷达系统的探测性能进行分析,探讨354.7nm和266.0nm激光光源对拉曼激光雷达开展全天时大气水汽探测的影响。结果表明:在水汽探测中,266.0nm及其对应的氧气、氮气和水汽拉曼波长均位于日盲紫外区内,不受太阳背景噪声的影响,但会受到臭氧吸收的影响;354.7nm波段无臭氧吸收,但会受到太阳背景噪声的影响;在分光系统参数一致的情况下,激光雷达系统选用266.0nm波段激光光源时,白天水汽的有效探测距离为2.7km,选用354.7nm波段激光光源时,有效探测距离仅为0.6km;日盲紫外波长的选择可有效提高白天水汽拉曼激光雷达的探测距离,实现水汽的全天时探测。     

像面衍射场系夫琅禾费衍射

提出了一个标准积分形式其被积函数由屏函数与一线性相因子的乘积构成,作为夫琅禾费衍射场的普遍定义.据此证明了有4种实验装置能接收到夫琅禾费衍射场,特别强调了像面接收装置及其优点.最后介绍了夫琅禾费衍射与傅里叶变换的关系,以及3种可供选择的相干光学信息处理系统.     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统EI北大核心CSCD

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

Fast-switching methane lidar transmitter based on a seeded optical parametric oscillator

We report on our development effort for a trace-gas-sensing lidar transmitter to be used in future Earth-orbiting satellites. Our lidar transmitter is based on an optical parametric oscillator (OPO), whose output wavelength is switched at a rate of 5 kHz across the target line. The OPO cavity length and the seed laser wavelengths are stabilized to molecular and atomic references. We demonstrated the concept of the OPO-based lidar transmitter at 1,651 nm, achieving ～300-μJ output energy and <300-MHz linewidth, which are anticipated to be required for a future methane lidar spaceborne mission.     

激光波长对拉曼散射水温遥感系统测温精度及探测深度的影响

机载激光拉曼散射雷达技术可以快速获取次表层海水温度的三维分布,具有重要的实用价值和经济价值.首先,从理论上分析了水的伸缩振动拉曼谱峰值位置和半高全宽与激发波长之间的对应关系,发现随着激发波长的增大,拉曼峰逐渐向长波方向移动,且拉曼光谱半高全宽显著增大.然后,实验测量了不同温度下450 nm激光和532 nm激光激发的水的拉曼光谱,对比验证了上述理论分析结果.并采用单高斯峰拟合法分析了两组拉曼光谱,拟合出高斯峰峰值位置与温度之间的关系,分析了激发波长对温度测量精度的影响.研究发现,采用较长波长的激发光可以提高拉曼光谱的测量精度,从而改善测温精度.最后,建立了拉曼散射雷达方程,分析了拉曼散射系数与激光波长之间的关系,研究了激光波长对雷达系统探测深度的影响.结果表明,激光波长对雷达系统探测深度有很大的影响,采用480 nm以下波长的激光时雷达系统探测深度较大,而采用长波段激光时雷达系统探测深度会大幅降低.实际系统设计中选取激光光源时需要综合考虑上述两方面的影响.     

基于取样光纤布拉格光栅的全光纤拉曼测温分光系统设计及优化

为实现大气温度全天时和高精度主动遥感探测, 转动拉曼测温激光雷达的分光系统需要滤除强烈的背景光噪声, 以及对Mie-Rayleigh散射提供70 dB以上的带外抑制率. 本文提出了以可见光波段取样光纤布拉格光栅为核心的多级级联的特征光谱提取光路, 构建高抑制率的全光纤拉曼测温分光系统, 以实现大气温度的全天时和高精度探测. 根据分光系统光路的传输特性, 采用传输矩阵模型, 优化设计了影响取样光纤布拉格光栅带外抑制率的主要因素(折射率调制深度、栅区总长度、取样周期和占空比), 得到了优化的光谱分光系统参数. 利用该分光系统可实现太阳背景光强度和Mie-Rayleigh散射信号强度分别比转动拉曼散射信号强度弱40 dB和50 dB, 信噪比高于100时, 白天探测高度可达1.6 km. 该全光纤分光系统具有小型化、抗干扰和稳定性高的优点, 可为陆基及星载拉曼测温激光雷达提供一种全新的解决方案.     

Photon-counting chirped amplitude modulation lidar system using superconducting nanowire single-photon detector at 1550-nm wavelength

We demonstrate a photon-counting chirped amplitude modulation(CAM) light detection and ranging(lidar) system incorporating a superconducting nanowire single-photon detector(SNSPD) and operated at a wavelength of 1550 nm.The distance accuracy of the lidar system was determined by the CAM bandwidth and signal-to-noise ratio(SNR) of an intermediate frequency(IF) signal. Owing to a short dead time(10 ns) and negligible dark count rate(70 Hz) of the SNSPD, the obtained IF signal attained an SNR of 42 d B and the direct distance accuracy was improved to 3 mm when the modulation bandwidth of the CAM signal was 240 MHz and the modulation period was 1 ms.     

基于拉曼激光雷达的大气三相态水同步精细探测分光系统的设计与仿真分析

水是惟一具有三相态的大气参数,三相态水的分布研究对认识云微物理、云降水物理以及人工影响天气过程具有重要的科学意义.在大气三相态水的拉曼激光雷达探测技术中,需首先解决三相态水的高光谱分光技术,以保证对回波信号的精细提取和高信噪比探测.考虑到水汽、液态水和固态水的拉曼光谱特性,本文首先通过理论仿真详细探讨了各拉曼通道中滤光片的选型参数对三相态水光谱重叠特性和探测信噪比的影响;并针对两者无法同时取得最优解的情况,提出了利用多目标规划问题的评价函数方法,分析获得了各通道最优的滤光片参数.结果表明,当固态水、液态水和水汽通道窄带滤光片中心波长和带宽分别为397.9 nm （3.1 nm）,403 nm （5 nm）和407.6 nm （0.6 nm）时,可获得各通道间最低的光谱重叠度值和最佳探测信噪比,从而实现了三相态水同步探测拉曼分光系统的优化设计.进一步的仿真结果表明,当激光雷达探测效率因子为1800 J·mm·min时,在有云条件下系统可获得白天3.6 km以上和晴天条件下4 km以上的三相态水有效探测,保证了利用拉曼激光雷达实现对三相态水的同步高信噪比探测,为后续大气三相态水的拉曼激光雷达同步探测和反演提供了技术和理论支持.     

基于生物光学算法的海洋悬浮粒子检测技术研究

 通过研究分析海水中几种主要物质的固有光学特性,提出了基于生物光学算法的机载蓝绿激光雷达检测海洋悬浮粒子的方法。针对海洋悬浮粒子的两类代表物质浮游植物和非色素悬浮粒子,采用生物光学算法,分别构建了基于机载蓝绿激光雷达的浮游植物叶绿素浓度检测模型和非色素悬浮粒子浓度的检测模型。仿真计算可以证明这两个检测模型能有效探测出浮游植物叶绿素浓度的大小和非色素悬浮粒子浓度,为实际海洋悬浮粒子的检测提供理论基础和技术支持。     

1.5μm激光雷达相干探测CO_2与风场系统设计与仿真(英文)

探测低空大气CO2浓度的同时可以探测大气风场。采用相干探测较非相干探测具有更高的信噪比,而目前1.5μm波长由于在人眼安全、系统设计简单廉价等方面存在一定优势,使1.5μm可能成为未来探测气溶胶激光雷达的主流波长。本文阐述了激光雷达相干探测大气CO2与风场的原理,设计了1.5μm相干探测激光雷达系统,并对系统的信噪比进行了估算,得出结论:1.5μm相干探测风场与CO2是可行的,经过3分钟的脉冲积累,在3km处仍具有高于10的信噪比值。     

Retrieving the aerosol lidar ratio profile by combining ground- and space-based elastic lidars

The aerosol lidar ratio is a key parameter for the retrieval of aerosol optical properties from elastic lidar, which changes largely for aerosols with different chemical and physical properties. We proposed a method for retrieving the aerosol lidar ratio profile by combining simultaneous ground- and space-based elastic lidars. The method was tested by a simulated case and a real case at 532 nm wavelength. The results demonstrated that our method is robust and can obtain accurate lidar ratio and extinction coefficient profiles. Our method can be useful for determining the local and global lidar ratio and validating space-based lidar datasets.     

Measurements of cirrus clouds with a three-wavelength lidar

A three-wavelength lidar system is set up. The backscatter signals of 355, 532, and 1 064 nm are mea- sured simultaneously to derive the optical depth, lidar ratio, and backscatter color ratio of cirrus clouds, respectively. The lidar configuration and the data processing are described. The case study shows that the optical depths of cirrus clouds are not dependent on wavelength while the backscatter color ratios are.     

A comparison method for spaceborne and ground-based lidar and its application to the CALIPSO lidar

A method is proposed to aid in the comparison of spaceborne lidar measurements with ground-based lidar measurements. The downward attenuated backscatter is constructed from ground-based lidar data, and then compared to the attenuated backscatter measured by spaceborne lidar. To test the accuracy of the method, sensitivity analysis is performed. This method is applied to compare the measurements between the CALIPSO lidar and ground-based lidar at Hampton University. The comparison results show this method is a feasible and reasonable approach for spaceborne lidar validation. Moreover, it can help to retrieve aerosol optical properties.