1.315 μm波长附近实际大气高分辨率吸收光谱

 用窄线宽、脉冲可调谐光参量振荡器（OPO）作光源，使用光程长达1 097m的怀特池，采用单探测器分时复用的探测方法，首次在吸收池中精确测量了实际大气中1.315 μm波长附近高分辨率吸收光谱，实验验证了实际大气中水汽是该波段的主要吸收气体；得到了实际大气中吸收分子在氧碘激光波长（7 603.14cm^-11）处的吸收截面为 (1.05±0.09)×10^-24 cm²(标准大气条件下）以及在该波段主要吸收谱线的参数，包括吸收线的位置、线强度、压力加宽半宽度等。利用实测的线参数计算了在氧碘激光波长附近大气分子的吸收截面，发现吸收最小的波长分别位于7 603.31和7 603.93cm^-1，其值约为(8.9±0.8)×10^-25 cm²，比氧碘激光波长处的吸收截面约小15%。     

HF/DF激光传输的大气衰减特性

 大气中的水汽对DF激光主要强线的吸收相对较小，而HF激光的大多数谱线受水汽和CO₂分子等的吸收较大。利用较新的HITRAN96数据库和我国不同地区的气象资料，采用逐线积分法计算了HF/DF 激光的大气衰减情况。所选的谱线中，在合肥地区（年平均）， HF的水汽吸收系数最大值可达到10km^-1的数量级，二氧化碳吸收系数最大可达10^-4~10^-3km^-1量级，P2(8)线吸收最弱；DF激光水汽吸收系数最大值可达到10^-1km^-1,比HF低2个量级，且随高度衰减很快，10km处就到10^-5~10^-4km^-1量级，P2(8)线吸收最弱。在我国，由南向北，由夏季到冬季，水汽浓度减少，大气对HF/DF激光的吸收率也相应地递减。     

太赫兹电磁波大气吸收衰减逐线积分计算

大气对太赫兹辐射传输存在一定的非协作性,即存在吸收衰减。为了实现太赫兹辐射的有效应用必须细致地了解太赫兹辐射大气传输的窗口位置、宽度及大气透过率。选取了处理大气非均匀路径、吸收带重叠等大气辐射传输问题的最精确方法逐线积分法,发展计算程序,并基于HITRAN分子谱线数据,对水汽、氧气、臭氧、氮气、二氧化碳等单组分气体分子对太赫兹辐射传输的吸收衰减情况进行了计算与分析,并给出了在太赫兹电磁波大气传输衰减中占主要因素的水汽和氧气的衰减峰位置。     

激光斜程传输波长选择

当强激光束穿过大气时,大气对光束的各种线性和非线性衰减因素使光束质量和能量密度受到很大的影响。大气对激光束的这些衰减因素都有很强的波长相关性,不同波长的大气光学性质差别非常之大。为了给激光通讯或强激光传输选择最佳传输波长或波段。本文利用计算物理模型模拟计算了分子吸收、分子散射、气溶胶(包括云和雨)消光、衍射、抖动、湍流和热晕对高能激光大气传输的影响。分析其波长相关性后,给出了最佳波段的选择,并具体对几种激光器进行了简要的分析。     

大功率光纤激光大气传输特性的研究

影响激光传输效果的主要因素包括大气分子和气溶胶粒子吸收以及由散射造成的衰减效应、大气湍流引起的湍流效应和强激光加热空气造成的热晕效应。针对光纤激光的大气传输进行了研究,研究了在1080nm特定波长的光纤激光大气传输过程中的大气湍流、热晕效应、湍流热晕相互作用对光纤激光远场功率密度的影响。     

太赫兹波大气传输衰减模型

基于修正的Van-Vleck Weisskopf线型、辐射传输色散理论和水汽连续体吸收模型,结合HITRAN数据库,建立了太赫兹波大气传输衰减模型——VVWH,形成了对宽频太赫兹波在真实大气中水平传输衰减的数值模拟能力。同时对太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)获取的透射光谱实测数据进行了对比分析。计算结果与实验结果总体变化趋势一致,在吸收谱线处两者吻合良好,但在低频的大气窗口区,实验结果相比计算呈现出更强的传输衰减。考察了相对湿度对太赫兹波大气传输衰减特性的影响变化。     

空中目标红外辐射多波长大气透过率实时反演算法

 针对空中目标红外辐射大气传输衰减的主导因素,通过Mie散射理论分析和计算得到了不同波长红外大气透过率之间的相关性关系。采用自主研发的激光遥感大气透过率测量仪并利用激光大气透过率多点断层测量技术,实测了1 060 nm波长激光的大气透过率,同步实时反演计算了临近波长红外辐射的大气透过率。实验数据验证了该方法可用于建立红外观测低空修正系统,实时计算获取大气对空间目标红外辐射的衰减特性。     

日盲紫外域拉曼激光雷达探测大气水汽技术研究

拉曼激光雷达通过探测与水汽浓度相关的大气水汽振动拉曼散射回波信号,可实现大气水汽混合比廓线的探测。然而由于振动拉曼信号非常微弱,在白天测量时振动拉曼散射光谱会淹没在太阳背景光中,多在夜间测量。为实现大气水汽的全天时测量,设计开发一套日盲紫外波段拉曼激光雷达系统。该系统选择Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出-266.0 nm日盲紫外波段作为拉曼激光雷达系统的激励波长,采用镀高增益介质膜的牛顿式望远镜作为接收器,同时利用二向色镜和超窄带干涉滤光片设计高效率的高光谱分光系统,实现了大气氧气、氮气和水汽振动拉曼散射回波信号277.5,283.6和294.6 nm的精细提取。计算仿真结果表明,臭氧吸收对日盲紫外域拉曼激光雷达探测存在一定的影响,主要是探测距离的影响;氮气通道不受白天太阳背景光噪声的影响;水汽通道存在少量太阳背景光噪声,对系统探测距离略有影响。而系统信噪比计算结果表明,设计的日盲紫外域拉曼激光雷达系统可实现白天3.5 km大气水汽的探测。实际进行水汽探测时,可利用氮气和氧气通道反演出臭氧浓度廓线,修正臭氧对发射波长、各通道拉曼散射波长的吸收,进一步提升系统的探测能力和探测精度。     

激光雷达信号大气衰减效应

激光雷达信号在大气中传输时,大气中的气体分子和大气气溶胶粒子、尘埃、雨等对激光信号的吸收和散射导致光信号能量的衰减是影响激光雷达信号传输的重要因素。另外,由于大气密度分面目 不均匀导致激光沿光路上的折射,大气湍流效应导致光束横截面上能量分布起伏、光束扩展和漂移等,这些对激光雷光信号的传输产生一定的影响。本文对激光在大气中传输的各种能量衰减机制进行分析和讨论,为激光雷达系统的设计提供理论依据。     

THz固定无线链路在大气中的特性

基于宽带太赫兹（THz）波的短距离宽带高数据率无线通讯是可行的。利用THz波大气传输衰减模型和经验的水汽连续体吸收, 结合HITRAN数据库, 发展了在THz频段电磁通信的一个新的传输模型, 形成了对宽频THz波在地表真实大气中水平传输衰减、路径损耗和信道容量的数值模拟能力;提出了100~900 GHz频段的五个可行的通信信道。相比低于100 GHz的无线通信频带, 虽然这五个信道具有的更大的自由传输衰减损耗,以及大气分子和水滴吸收衰减降低了通信数据率, 但通过增加发射和接收天线增益, 仍然可以在短距离实现THz低频带尤其是100~500 GHz的高数据率无线通讯。     

分子过滤瑞利散射技术测量火焰温度和密度

 为了解决瑞利散射光易受米散射和背景杂散光干扰的问题,发展了结合窄线宽激光器、分子过滤器以及像增强器等技术的分子过滤瑞利散射技术。在图像诊断的基础上,依据测量的碘蒸气吸收光谱曲线,对CH₄/air预混火焰进行了诊断,获得了密度场和温度场分布。距炉面15 mm火焰中心区域处,分子过滤瑞利散射(FRS)技术测量的温度为1 827 K±84 K,密度为0.19 kg/m³,其测温结果与CARS法的测温结果基本吻合。最后分析了FRS技术测温不确定度。实验表明FRS技术具有较高的信噪比,可以定量测量温度和密度信息,有望应用于超音速燃烧流场、紊流场等复杂流场的诊断。     

国外差分吸收激光雷达探测大气水汽廓线的研究进展

水汽含量是大气最基本的物理参量之一,大气水汽垂直分布结构对于大气过程的研究十分有意义。差分吸收激光雷达可以昼夜获取高精度、高距离分辨率的大气水汽垂直分布廓线,是最有潜力的探测手段。国际上已经发展出几种类型的差分吸收激光雷达,对它们的发展路径做一梳理,理清发展脉络,具有有益的参考价值。其中,稍早时期水汽差分吸收激光雷达工作在4ν振动吸收带720～730 nm频域,以Alexandrite为主流的激光器或者Nd∶YAG/ruby固体激光器泵浦的染料激光器作为发射光源,光电倍增管仍然可以在这个波段担任探测器,代表性的仪器是法国的机载LEANDRE Ⅱ。此后发展的820 nm波段的水汽差分吸收激光雷达,以钛宝石激光器或钛宝石光放大器为发射机,以硅的雪崩二极管作为探测器,紧跟前置放大和数据的AD采集器,如德国Hohenheim大学的车载扫描激光雷达,可以获得对流层300～4 000 m之间水汽两维或三维分布结构;德国Institutfür Meteorologie und Klimaforschung所建立的差分吸收激光雷达可以探测3～12 km高度之间大气的水汽垂直分布。720和820 nm波段水汽吸收截面较小,更适合于地基或车载的对流层水汽廓线探测。而水汽3ν振动谱935 nm区域吸收截面较大,是为了空间探测大气对流层上、平流层下相对干燥区域的水汽分布而准备的,且可以安排多个探测波长,和一个参考波长,它们对水汽的吸收截面大小呈梯度分布,以应对空间对地观测时不同高度大气水汽浓度的差别。基于种子注入的光参量振荡器或Nd∶YGG全固态激光器的935 nm差分吸收激光雷达,以德国Deutsches Zentrumfür Luft- und Raumfahrt的研究最为成功,推动了欧洲空间局立项发展空间水汽差分吸收激光雷达WALES（Water Vapour Lidar Experiment in Space）,测量从地球表面到平流层下、高垂直分辨率和高精度水汽浓度分布。机载多波长水汽差分吸收激光雷达1999年建立起来,担当空间WALES任务的模拟器,2006年完成了机载飞行试验。以823～830 nm分布布拉格反射半导体激光器和半导体光放大器为核心、采用雪崩二极管盖格光子计数技术的微脉冲差分吸收激光雷达,是差分吸收激光雷达面向商业化、可普及的方向迈出的重要一步,目前已经发展到第四代产品。发射机激光工作波长的长期稳定十分重要而棘手,以窄带连续波种子激光注入脉冲激光器的谐振腔锁定其的腔长,种子激光的波长以水汽的多通道光吸收池为参照标准,或以高精度波长计为误差获取手段,通过负反馈进行主动稳频;其次,需要仔细考虑大气对激光的后向散射光谱线型,显然Rayleigh后向散射光的多普勒展宽与水汽吸收光谱线宽度可以比拟,所以其吸收截面σ_on和σ_off必需加以修正;水汽的空间垂直分布梯度大,因此差分吸收激光雷达应该实行分通道探测。     

长时热变形下硅反射镜的参量选择

 以硅反射镜材料为例,对长时热变形下镜面吸收率、镜夹持半径及激光功率等参量对氧碘化学激光输出光束特性的影响进行了研究,给出了参量选择范围。模拟计算结果表明:镜面吸收率是控制输出功率的关键因素之一,要保证在出光10 s内输出功率下降程度小于20%,吸收率应不超过3.0×10^-4。在四点夹持的情况下,镜面夹持半径大小与输出光束大小相关,当夹持半径与输出光束半径的比值大于1.40时,可以避免夹持过小造成的镜面边缘处发生畸变的现象。     

High resolution emission spectra of laser-excited molecular iodine as the excitation frequency is tuned through and away from resonance

We have studied the ΔJ = 2 rotationally shifted emission lines in the region of the strong absorption of molecular iodine which occurs within the 5145 Å argon ion laser line. We used an etalon tuned, single frequency argon ion laser with a linewidth of 20 MHz to excite the iodine emission and recorded the spectra of the rotational lines with Fabry-Perot spectrometers having resolutions up to 70 MHz (0.0023 cm^-1). To overcome Doppler linewidth limitations we took spectra of the emission at small angles to the exciting beam and found the lines to have widths less than our instrumental resolution and frequencies which accurately tuned with the incident laser frequency. We recorded the emission lines for laser frequencies in the absorption line center and out into the absorption wing. Our spectra show that the intensity of the emission lines follows the absorption line profile while the frequency of the emission lines is determined by the laser frequency; the intensity is maximum at the absorption line center, falling by 10⁴ as the laser frequency is moved off the line center, while the line position maintains a constant frequency shift from the laser frequency.     

Effect of oxygen and iodine on the optical and magnetic properties of fullerite C<Subscript>60</Subscript>

The effect of oxygen and iodine on the optical and magnetic properties of fullerite C₆₀ is studied by luminescence and EPR spectroscopy within widely varied experimental conditions (temperature of the medium, oxygen or buffer gas pressure, concentration of iodine vapor). It is demonstrated that the efficiency of the singlet oxygen formation when a fullerene sample is irradiated by a neodymium laser at a wavelength of 532 nm and the amplitude of the EPR signal emitted from the unirradiated sample are strongly affected by the concentrations of both oxygen and iodine vapor sorbed by the fullerene sample, as well as by its surface temperature. The spin-spin and spin-lattice relaxation times of paramagnetic centers in fullerite samples studied in the presence of molecular oxygen are determined by the method of microwave radiation absorption saturation.     

Water vapor: An extraordinary terahertz wave source under optical excitation

In modern terahertz (THz) sensing and imaging spectroscopy, water is considered a nemesis to be avoided due to strong absorption in the THz frequency range. Here we report the first experimental demonstration and theoretical implications of using femtosecond laser pulses to generate intense broadband THz emission from water vapor. When we focused an intense laser pulse in water vapor contained in a gas cell or injected from a gas jet nozzle, an extraordinarily strong THz field from optically excited water vapor is observed. Water vapor has more than 50% greater THz generation efficiency than dry nitrogen. It had previously been assumed that the nonlinear generation of THz waves in this manner primarily involves a free-electron plasma, but we show that the molecular structure plays an essential role in the process. In particular, we found that THz wave generation from H₂O vapor is significantly stronger than that from D₂O vapor. Vibronic activities of water cluster ions, occurring naturally in water vapor, may possibly contribute to the observed isotope effect along with rovibrational contributions from the predominant monomers.     

光源稳定性对简并四波混频信噪比影响的实验研究

在碘蒸气中研究了染料激光稳定性对简并四波混频(DFWM)信噪比的影响。实验中采用多模Nd∶YAG激光器倍频的输出泵浦染料激光器(染料PM580溶于酒精)。在具有前向补偿分光系统和图像探测系统的帮助下,在常温常压条件下测得泵浦光在波长为554.013 nm时达到饱和光强为290 μJ。同时发现染料激光器的光稳定性(输出波长范围,光束质量和能量转换效率等)随使用时间,泵浦激光脉冲次数和能量的增加而逐渐减弱。另外通过对比发现在染料激光器输出不稳定时,光源单色性和指向性等指标的变化导致在同一泵浦强度不同时刻获得的DFWM信号强度相差很大,且DFWM信号信噪比低。染料激光器光源稳定性对DFWM信号影响的研究结果对物质的痕迹量探测以及无荧光物质光谱定标等方面的应用具有重要意义。     

Spectral diagnostics of a vapor-plasma plume produced during welding with a high-power ytterbium fiber laser

We have conducted spectroscopic studies of the welding plasma formed in the process of welding with an ytterbium fiber laser delivering output power of up to 20 kW. The influence of shielding gases (Ar, He) on different parts of the welding plume is investigated. The absorption coefficient of the laser radiation by the welding-plume plasma is estimated. Scattering of 532-nm probe radiation from particles of the condensed metal vapor within the caustic of a high-power fiber laser beam is measured. Based on the obtained results, conclusions are made on the influence of the plasma formation and metal vapor condensation on the radiation of the high-power fiber laser and the stability of the welding process.     

Experimental study on terahertz radiation

In this letter, we describe a coherent subpicosecond terahertz (THz) spectroscopy system based on nonresonant optical rectification for the generation of THz radiation. We studied the two-photon absorption (TPA) of ZnTe induced by femtosecond laser pulses via THz generation, and its influence on the generation of THz radiation. Experimental results demonstrated that the intensity of pump beam against TPA must be traded off to get an optimum generation of THz radiation. As an example, we measured absorption spectrum of water vapor by time-domain spectroscopy (TDS) in the frequency range from 0.5 to 2.5 THzwith a high overall accuracy.     

基于中红外差频激光测量水汽分子同位素丰度

稳定同位素比值的测量在地质学、气象学和地球科学的研究中具有重要的应用价值。水汽同位素丰度的测量对理解与干旱相关的同温层大气科学具有重要的意义。水汽分子在2.7 μm附近具有较强的吸收,适宜于高灵敏度光谱的测量。文章报道了利用差频技术(Difference frequency generation)和准相位匹配技术(Quasi-phase matching),将调谐范围在750～840 nm之间的连续可调谐钛宝石激光器和单频连续的Nd∶YAG激光器,耦合到周期性极化铌酸锂非线性光学晶体中,产生2.5～4 μm波段的中红外可调谐激光。选择周期为20 μm的PPLN晶体,产生2.7 μm附近的中红外差频激光,利用差频产生的中红外激光光源,具有窄线宽、宽调谐等优点。结合光程为100 m的Herriott型多通吸收池,采用直接吸收光谱方法测量了实验室大气中的水汽分子同位素,得到了同位素比值R及17O,18O,D的丰度值δ,实验所测R值与国际标准具有很好的一致性。