高精度千赫兹流动激光测距系统中国西部地区实测结果分析

为了解决人造卫星激光测距观测站在我国东西部地区分布不均衡的现状,中国地震局地震研究所采用方便运输的载车结构和皮秒级千赫兹半导体激光器,结合自行研制的皮秒级事件计数器和纳秒级距离门,研制了新一代的大口径流动卫星激光测距系统TROS1000.TROS1000具备千赫兹流动激光测距的能力,并且具有机动灵活、架设周期短等特点.2019年9月,TROS1000抵达中国科学院新疆天文台南山观测站,在我国西部地区首次获取千赫兹激光观测数据.经过数据预处理,中低轨卫星的单次精度优于14 mm,高轨卫星的单次精度优于19 mm,与上一代流动激光测距系统相比,其单次精度更高,有效回波信号更多,目标探测能力更强.     

软X射线皮秒分幅相机的增益压窄效应

 高速行波选通的X射线皮秒分幅相机的时间分辨率受皮秒选通脉冲的宽度和幅值的非线性关系直接影响。针对微通道板(MCP)行波选通皮秒分幅相机中的“增益压窄效应”,在高斯型皮秒选通电脉冲作用下,通过计算MCP分幅管的时间分辨率和对增益压窄效应的分析,得到MCP皮秒选通分幅管的增益压窄指数约为10.0,分幅管的时间分辨率约为选通脉冲脉宽的1/3.16。并在脉冲参数（250 ps,－1 100 V）和（220 ps,－900 V）下进行了分幅相机时间分辨率理论计算和实验测试,分别得到了理论时间分辨率为78.8 ps和67.6 ps,相机实验时间分辨率为76.4 ps 和66.5 ps的结果。     

X射线皮秒变象管扫描相机时空分辨率测量

X射线皮秒变象管扫描相机是一种应用变象管技术测量X射线波段脉冲辐射而能达到皮秒级时间分辨率和微米级空间分辨率的时空测试系统,是高功率激光打靶产生等离子体诊断的有力工具。时间分辨率和空间分辨率是X射线皮秒变象管扫描相机最基本的性能参数。这些参数的测量有其不同于可见光扫描相机的特殊性。     

微通道板行波选通X射线皮秒分幅相机动态空间分辨率的优化

通过微通道板皮秒脉冲选通动态模型结合近贴聚焦系统的空间调制传递函数理论模型,研究了微通道板X射线分幅相机系统的动态空间分辨能力与屏压,近贴距离,皮秒选通脉冲的幅值与宽度等参数的关系.计算了常用参数下的微通道板行波选通X射线皮秒分幅相机的系统动态空间分辨率,讨论了提高相机动态空间分辨率的措施,提出了优化相机结构参数的方法.     

C.变象管高速摄影的最新进展

本文简要介绍和评述了在第十九届国际高速摄影与光子学会议上发表的有关变象管高速摄影技术的结果,据报道,飞秒条纹变象管的时间分辨率设计值达50fs,皮秒分幅相机的最短曝光时间实验值为50ps。CCD两维图象读出系统已普遍用于皮秒条纹相机系统。纳秒分幅/扫描摄影向高性能、程控化发展。本文还涉及了超短光脉冲技术的新成果在变象管动态测试中的应用。     

磁脉冲压缩的分幅相机超快选通脉冲研究

为拓展脉冲功率技术在超快诊断领域的发展和磁脉冲压缩技术的应用，基于磁性元件良好的开关性能和脉冲宽度压缩原理，采用具有多重压缩特性的级联磁开关，设计磁脉冲压缩电路，并将输出的皮秒选通脉冲应用于分幅相机时间分辨率研究。研究结果显示，磁脉冲压缩电路能产生适用于分幅相机的皮秒选通脉冲，当直流电源为500 V，磁开关电感量为1μH，初级线圈回路充电电容为4μF，变压器匝数比为10∶1，磁开关线圈匝数比为1∶2，复位电流为1 A，次级线圈回路和两级磁开关电路充电电容为1 pF时，获得幅值为-3.2 kV和半高宽为149 ps的选通脉冲，将其加载于采用蒙特卡洛法建立的微通道板通道内光电子动态倍增模型，通过计算随选通脉冲的时变增益和构建微通道板上的时间-增益曲线，可实现87 ps的分幅相机时间分辨率。研究结论可为应用于分幅相机的皮秒选通脉冲产生以及磁脉冲压缩电路的拓展应用提供新思路。     

4kHz重复频率卫星激光测距系统及其应用

分析了上海天文台皮秒激光器系统在不同重复频率下的输出功率、输出波形等性能,实现了重复频率为4 kHz、功率为3 W、波长为532 nm的激光稳定输出。建立了4 kHz重复频率卫星激光测距系统,实现了4 kHz重复频率卫星测距,其测量数据量和标准点数据精度比1 kHz重复频率的分别提高了约2.62倍和1.62倍,提升了卫星观测性能。采用Lomb算法获得了Ajisai卫星自转频率(平均值为0.4234 Hz)以及自转频率准确度(0.0054 Hz),与1 kHz激光观测系统相比,4 kHz重复频率卫星激光测距系统的卫星自转测定精度显著提升。     

X射线皮秒分幅相机技术的初步研究

本文介绍了我们正在研究的x射线皮秒分幅相机技术的最新理论和实验研究结果。我们提出了一种新的实现皮秒分幅的技术方案。设计了适合于本方案的新型变象管。用直流X射线源测得该管的静态空间分辨举为201p/mm,并得到了四幅准静态分幅象。用激光打靶产生的脉冲x射线初步测量了脉冲静态和动态空间分辨率,拍摄到了单幅动态照片。     

变像管皮秒分幅和飞秒扫描相机的实验研究

本文将描述两种变像管皮秒分幅相机和一种飞秒扫描相机的设计特点、动态测试方法和实验结果。第一种变像管皮秒分幅相机采用了交叉点扫描多光栏分幅的方法,其变像管具有长加速电极和短阳极的静电弱聚焦系统与偏转灵敏度高、偏转像质好的偏转群体结构;其超快速控制电路只需一个光电开关斜坡电压脉冲发生器和一个特殊设计的脉冲成形网络即可送出具有合适时间关联的4对正负极性三角波和一对正负极性的单台阶液电压脉冲。实验表明,该相机在提供6幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为80ps,除 3～4幅图像间的时间间隔为680ps外,其余均为160ps,动态空间分辨率达到5.51p/mm。第二种变像管皮秒分幅相机采用快门式分幅方法;其变像管采用行波偏转系统,内增强MCP做成带状线结构,并具有输入输出阻抗变换器,其三台阶波和快门脉冲序列均由光电开关电路和脉冲成形网络产生。该相机在提供三幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为660ps,画幅之间的时间间隔均为4ns,动态空间分辨率为5.5lp/mm。飞秒扫描相机采用MCP内增强飞秒扫描变像管、具有负时间畸变的中继透镜和无触发晃动的光电开关扫描电路。实验证明,该相机在时间分辨率为500fs时,其动态范围为30;当时间分辨率为1.2ps时,其动态范围可达500;无扫描图像弯曲现象,触发晃动为±2ps.     

超高速分幅相机曝光时间测量的误差分析

基于超高速光电分幅相机曝光的控制原理,从光纤切割精度和激光器精确同步两个主要影响因素出发,讨论了采用超快激光脉冲和光纤阵列形成光延时结合CCD相机的方法测量高速相机曝光时间的误差,并提出了降低误差的技术措施。分析表明,光纤切割精度和激光器精确同步引入的误差仅为皮秒级,对纳秒级的相机曝光时间测量的影响可以忽略。采用光纤束阵列法,实验测量了超高速光电分幅相机的曝光时间,对比测量值与标称值,二者吻合良好,验证了此方法的有效性。     

基于光纤色散相位补偿的高分辨率激光频率扫描干涉测量研究

为了实现更高分辨率的激光频率扫描干涉测量, 增大光源的扫频范围以及减小扫描频率的非线性成为关键. 采用外腔式大带宽扫频光源结合光纤辅助干涉仪构建的外部时钟频率采样非线性校正是目前较为常用的方法. 本研究发现随着扫频带宽和测量范围的增加, 光纤辅助干涉仪与测量光路中存在的色散失配导致频谱出现严重展宽, 极大的降低了测量的分辨率. 本文建立了辅助干涉仪和测量干涉仪色散失配影响的理论模型, 利用该模型分析了扫频带宽和测量范围与测量分辨率的变化关系, 与实验结果相一致, 并进而提出了基于峰值演化消畸变的色散相位补偿方法, 有效地提高了测量的分辨率, 在2.53 m 处实现了接近理论值的64.5 μm的测量分辨率. 该色散失配模型及补偿方法为提高大尺寸激光频率扫描干涉仪的测量分辨率及测距范围提供了参考.     

星载激光相干测高计的参量设计

为使星载激光高度计实现高空间分辨力、高距离精度,提出了联合采用调频光纤激光器和相干测距的方法.详细讨论了这种方法的实现方案,并对方案中的激光发射功率、望远镜口径以及脉冲宽度对距离精度及信噪比的影响进行数值模拟.对系统参量进行分析,得到了相关参量的关系和优化的参量.结果表明,当望远镜口径为400 mm时,啁啾调频速率为1 MHz/μs,脉冲时间宽度150～350 μs, 发射功率10 W左右时,基于相干测距的星载激光高度计可以实现距离精度小于15 cm的技术指标.     

水下运动目标激光扫描测距方法研究

相对于传统水下光电成像,水下激光扫描成像系统可以获得更远的作用距离和更好的图像质量.基于激光同步扫描技术,提出了水下运动目标的测距方法,并对测距误差进行了定量分析,为水下目标测距提供了一个新的途径.其中单探测头水下激光扫描测距方法能对合作目标进行测距,在近距离时具有较高的测距精度,双探测头水下激光扫描测距方法能对非合作...     

双频激光在超精孔径测量中的应用

一种以激光波长为基准的小孔孔径超精测量系统 ,采用双频激光干涉技术、温度误差实时修正技术和符合阿贝原则的合理布局 ,在 8mm～ 5 0mm的范围内实现 0 .0 1μm的分辨力和 0 .1μm的测量精度。该方法已成功应用在惯性仪表零件孔径及垂直度的超精测量中。     

微通道板选通X射线皮秒分幅相机曝光时间的均匀设计

将均匀设计法应用于微通道板选通X射线皮秒分幅相机(MCP－XPFC)曝光时间的研究工作中,目的是找到一个简单高效的试验预估方法来指导分幅相机的研制和试验工作.基于分幅相机皮秒动态选通理论模型,建立了采用0.5 mm厚、长径比40的MCP的皮秒分幅相机选通脉冲参量与曝光时间之间的快速预估模型.利用这一模型得出了相机的曝光时间随选通脉冲脉宽和幅值分别呈抛物线变化,且脉宽和幅值对曝光时间具有交互影响作用.在试验参量范围内,此预估模型能够精确地代替相机理论模型和高效地指导实验.通过实验验证了预估模型,并分析了影响结果的因素.     

A simple jitter-free picosecond streak camera

Using a DC-biased room-temperature photoconductive switching element, a picosecond resolution optical streak camera is operated at sweep rates up to 7 ps/mm. Single-shot jitter is 2 ps with complete absence of short and long-term drift characteristic of all other sweep drivers. This high accuracy allows the streak camera to be used in a single-shot averaging mode which leads to a sub-picosecond absolute timing accuracy. When operated in this manner, the streak camera becomes a highly reliable and accurate device for measuring transient events on a time scale of single picoseconds. The simplicity of this method makes it highly attractive for many applications in laser fusion and picosecond chemistry and photophysics studies where reliable no-drift operation is highly desirable.     

圆扫描变像管人卫激光测距技术研究

在本文中,我们设计并研制了用于毫米级精度人卫激光测距的圆扫描时间分析系统。研制的圆扫描变像管理论时间分辨率可优于3ps,可用于双色测距;偏转灵敏度高达10cm/kV,偏转空间分辨率优于24lp/mm;利用双MCP内增强,增益～1×10⁶,并有门控功能以进一步提高信噪比和动态范围。扫描控制电路能提供300MHz、10W的正弦信号,其频率、幅度、相位稳定度均可满足要求。调试过程中较好地解决了阻抗变换、空间干扰和相位正交等关键问题。在仅2W的RF功率驱动下,即可实现稳定的φ24mm的圆扫描,系统实测时间分辨率达4.8ps。在实验室实测测距精度达亚毫米级。动态实验及模拟测距表明,该时间分析系统可满足第四代人卫激光测距系统的需要。     

近距离激光外差探测光学极限位移分辨率

通过统计理论和维纳-辛钦定理推导出激光外差探测系统光电流的功率谱函数,分析了光电流谱线分布与激光光源线宽、中频信号频率以及信号光相对本振光传输延迟时间的关系,修正了相关文献中光电流功率谱的理论公式.根据信号与噪声理论建立了激光线宽引起的相位噪声的一维概率分布模型,并据此得到了基于激光波长、探测距离以及激光线宽的极限位移分辨率的数学模型.对光电流的功率谱和外差光学极限位移分辨率进行了相关的数值仿真,结果表明延迟时间与相干时间的关系决定光电流谱线分布的情况.当激光波长为532 nm,激光线宽在1 kHz,探测距离为100 m时,光学极限位移分辨率为0.266 nm,相关文献中的实验数据与理论推导结果相符合.     

Simulation study of broadband long-pulsed amplification in high-power laser systems

Accurately and efficiently predicting the fundamental-frequency temporal shape of broadband long-pulsed lasers is very important in research on the properties of high-power laser amplifiers. In this study, we first propose that analytic electric polarization in the temporal domain is applied to broadband long-pulsed pulse amplification.We first verify the accuracy of this algorithm in the dozens of picoseconds range and the results are consistent with Miro software. Then we simulate the broadband long-pulsed amplification. The simulation results indicate that the front edge of the output pulse is more enlarged than the end edge owing to saturation and that the gain narrowing induces severe amplitude modulation. Analytic electric polarization in the temporal domain is effective and precise for investigating the broadband pulse amplification in the time scale from dozens of picoseconds to nanoseconds, and the computation time can be decreased by at least 4 orders of magnitude.