光源的偏振态对动态光散射颗粒测量结果的影响

研究了在动态光散射纳米颗粒测量中,光源的偏振态对测量结果的影响。采用了粒径为100nm、体积浓度为0.5%的标准颗粒作为样品,使He-Ne激光通过起偏器得到0°～180°方向的偏振光,测量了散射光强、偏振度和粒径测量值的变化,计算了相应的粒径均值偏差和标准差,并将这一结果与无偏振He-Ne激光入射进行了比较。结果表明,当入射光为线偏振光时,偏振方向垂直于散射面时测量效果最好;另一方面,由于颗粒系散射迭加造成的散射光偏振度降低,使线偏振光源与无偏振光源产生的散射光偏振度无明显差别,证明在测量中可以使用无偏振He-Ne激光代替。     

基于吸收光谱的光程长度测量方法研究

基于吸收光谱的基本原理,通过计算比尔-朗伯定律数学表达式中的参数实现了光程长度的测量。分析了高斯线型、洛伦兹线型和Voigt线型,采用了Voigt线型对光谱信号进行拟合。研究了Voigt线型峰值计算方法、洛伦兹线宽计算和误差函数求解三个内容。利用可调谐半导体激光吸收谱技术(TDLAS)中的直接吸收谱技术测量了氧气的吸收光谱,得到拟合的光谱峰值数据。将峰值数据带入比尔-朗伯定律数学表达式中,计算出实验光程长度为66.55 cm。对比测量值66.04 cm,测量精度为0.78%,该方法用于光程长度测量是可行的。     

高速动态非接触激光光学法测量光纤外径

光纤拉丝过程中必须对纤丝外径进行精密测控,但是通常用于圆柱形物体动态非接触测量的方法(如相关光通量比较法、电压鉴别法、补偿光通量法等等)精度太低,测量范围难适于光纤测量。本文介绍了四种测量高速运动的光纤外径很有效的非接触式激光光学测量方法:1.前向光散射法。它测量的是激光束射到光纤上的散射角和散射条纹;2.后向光散射法。它测量后向散射条纹的间隔; 3.直接衍射法。它测量激光束直射到光纤上产生的衍射图象;4.计量光脉冲法。它测量与光纤外径有关的光脉冲效。文中还对此四种方法进行了讨论。     

提高大气吸收光谱测量分辨率的新方法

在仪器函数和吸收线型已知的情况下 ,提出了一种非线性拟合退卷积法 ,用于提高气体吸收测量的光谱分辨率。数值模拟和实际应用都表明 :该方法用于室内气体吸收光谱的测量 ,在保持吸收线型不变的情况下 ,可以显著地提高测量的光谱分辨率 ,降低测量噪声。将该方法用于怀特池中模拟大气吸收光谱测量 ,减小了激光线宽对测量结果的影响 ,获得了比较理想的结果。     

基于谱线线型函数的气体浓度检测技术

快速、精确地测量微量气体浓度的技术在大气质量分析、环境污染检测等领域具有广泛的用途。在红外光谱检测技术中,气体吸收光谱的谱线线型函数是定量测量气体浓度的一个重要参量,而如何准确和快速地得到气体谱线线型函数值是气体浓度测量中的一个关键问题。首先从理论上分析了谱线线型函数,得出计算谱线线型函数的一般方法及探讨了气体浓度与谱线线型函数峰值之间的关系。然后,利用可调激光器及光谱仪检测系统测量了乙炔在1 515～1 545 nm波长范围内的吸收光谱,再通过Lambert-Beer定律计算得到在不同频率下的谱线线型函数峰值,最后利用程序拟合出该波段内气体的谱线线型函数峰值分布曲线,并与Voigt线型函数理论计算值进行了比较,发现理论计算的谱线线型函数峰值仍存在一定的偏差。相比理论计算结果,所提出的检测方法得到的乙炔浓度与真实的乙炔浓度值更加吻合,表明了通过实验确定的谱线线型函数的经验公式可以更好地用于气体浓度的检测。由于利用实验测量值获得了谱线线型函数峰值分布的拟合曲线,因此可以快速准确地计算出所对应的谱线线型函数峰值,从而大大地简化了线型函数的计算过程。实验所获得的数据可应用于光学遥测乙炔气体浓度,且提供的方法也可以应用到其他气体的谱线线型函数峰值的测量中。     

速度调制分子离子激光光谱技术的理论研究

介绍了速度调制光谱对分子离子测量过程中的一些基本问题,运用朗之万运动方程导出了离子在交流电场中的漂移速度表达式;在小调制度近似下,给出了速度调制谱线的解析表达式,表明谱线的基本线型为高斯线型的一次微分线型、强度与调制度成正比;还讨论了调制电场对谱线的影响。得到的结论可用于实验参数的选择及等离子体的诊断等方面。     

NO气体的空间交叉CARS

采用具有高空间分辨率的空间交叉BOX CARS相位匹配方法,完成了对NO气休室温下、Q支(v=0→v=1)振转CARS谱的测量,研究了它与NO气体压强及激光线宽的关系.从CARS基本理论出发,考虑到激光线宽及不同线型,计算出理论曲线,与实验谱线进行了比较,洛伦兹线型的理论模拟和实验结果符合较好.     

全频域下窄线宽激光器光谱线宽的分析

窄线宽激光器的线宽表征方式通常采用延时自外差法测量技术。该技术是通过延时光纤差拍产生一个与待测激光线宽相关的洛伦兹频谱,因此该频谱只具有单一的线宽表现形式。为了能够观察到激光器的线宽和频率噪声在其傅里叶频率分布下的完整特性,报道了一种基于β算法计算窄线宽激光器线宽的方法。该方法是结合频率噪声中的白噪声和1/f噪声分别诱导不同激光线型的理论,从而确定激光线宽。首先,对β算法的基本原理进行了详细的分析说明。通过基于维纳-辛钦定理,分析了窄线宽激光器不同频率范围内的频率噪声和激光线宽的依赖关系。阐明了在截止频率趋于0和无穷大的两个范围条件时,激光频谱特性从高斯线型向洛伦兹线型演变。同时推导出使两种线型转换的截止频率表达式,并将其转换为频率噪声函数,该函数定义为β分子线。此时频率噪声分量中高斯线型的总和即为激光线宽计算公式;其次,对窄线宽激光器的频率噪声和激光线型进行数值仿真。将通过OEwaves公司的OE4000互相关零差相位/频率噪声自动测试系统测得的频率噪声谱密度,带入β算法理论公式中。结果显示：1/f噪声导致激光呈现高斯线型,线宽随截止频率的增加而增大。而白噪声将导致洛伦兹线型,线宽不再随截止频率而改变。此外,在低频区域,频率噪声电平远大于其傅里叶频率,噪声调制系数较高,该部分噪声可以决定线宽大小。因此,高斯线型区域对应的频率噪声的积分,即为待测激光器的线宽;在高频区域,频率噪声电平与其傅里叶频率相差较小,频率波动较快,噪声对线宽影响可以忽略。并且频率带宽在截止频率范围内,计算的线宽误差较小。最后,实验上运用β算法对RIO公司的1 550 nm低噪声窄线宽激光器的频率噪声功率谱密度进行积分计算,成功获得了其不同傅里叶频率分布下对应的激光线宽值。其中β分子线将频率噪声中的白噪声和1/f噪声分隔两部分：当频率噪声谱密度大于β分子线时,激光即为高斯线型,线宽随频率积分带宽的增加而减少;而频率噪声谱密度小于β分子线时,激光呈现洛伦兹线型,线宽为定值不再改变。同时为了对β算法进行实验验证,搭建了延迟光纤为50 km、移频频率为60 MHz的延时自外差法测量系统。对注入电流为110 mA的RIO 1 550 nm低噪声窄线宽激光器的线宽进行实验测量,测量结果表明激光线宽为1.8 kHz,与上述β算法中2.8 kHz的频率带宽积分结果一致。充分证明了此算法的准确性。β算法可以对任意类型的窄线宽激光器进行线宽表征,对窄线宽激光器的研究具有重要意义。     

提高大气吸收光谱测量分辩率的新方法

在仪器函数和吸收线型已知的情况下，提出了一种非线性拟合退卷积法，用于提高气体吸收测量的光谱分辨率。数值模拟和实际应用都表明：该方法用于室内气体吸收光谱的测量，在保持吸收线型不变的情况下，可以显著地提高测量的光谱分辩率，降低测量噪声。将该方法用于怀特池中模拟大气吸收光谱测量，减小了激光线宽对测量结果的影响，获得了比较理相的结果。     

激光则量线径的方法

<正> 由于激光具有高单色性、高亮度和方向性好的特点,它在测量技术上得到越来越广泛的应用。稳频激光甚至可以作为长度和时间的计量标准。本文仅介绍下述常见的激光动态测量线径的三种方法:1.衍射法;2.扫描法;3.散射法。利用这些方法国内外先后研制了许多种外径测量仪器。它们可以测量金属丝,如仪表行业的游丝直径;也可测出微小的位移和间隙,如精密轴承的间隙、计算机中磁头和磁盘问的缝隙、振动物体的振幅等。近年来激光光导纤维通讯已达到比较成熟的阶段,相应地对传输光频载波的玻璃纤维提出了更实用化的要求。线径均匀就是光导纤维一项重要的指标,这就需要高精度而又无接触地在拉丝过程中测     

用红宝石激光的汤姆逊散射测量θ-收缩等离子体的电子温度

几万度到几百万度范围的电子温度的测量在高温气体、空间物理、模拟核爆炸筹高温领域中是很重要的研究目的.尤其在受控热核反应与高漫等离子体物理的研究中,电子温度是实现受控“点火”的一个重要诊断参数.利用高漫等离子体自身幅射的X射线,可以得到一些有用的结果.但是,由于它不能空间分辨,实验误差很大.利用激光被等寓子体电子的汤姆逊散射,能够得到时间分辨和空间分辨的实验结果,因而激光散射实验已经成为测量等离子体电子温度的可靠诊断手段之一.也同样可应用于其它领域电子温度的测量. 根据激光散射的基本原理,不仅能够测量等离子体的…     

激光外差光谱仪的仪器线型函数研究

激光外差是一种基于相干探测原理的高灵敏度光谱检测技术,因其同时具有很高的光谱分辨能力,被广泛应用于诸多研究领域.在光谱测量过程中,仪器线型函数对吸收谱线的平滑作用,会对气体浓度的反演结果产生影响.为了获取激光外差光谱仪的仪器线型函数,基于激光外差原理和信号处理过程,对影响仪器线型函数的射频滤波带宽和积分时间等参数进行了分析,获得了仪器线型函数表达式.利用自行建立的激光外差光谱仪,多次测量了3.53μm波段内水汽、甲烷的吸收谱线,分别将射频滤波频域响应函数和本文获得的仪器线型函数耦合进水汽、甲烷柱浓度的反演.结果表明,射频滤波带宽为30 MHz、积分时间分别为10 ms和100 ms时,光谱仪的实际分辨率分别约为0.005 cm~(-1)和0.025 cm~(-1);使用仪器线型函数对积分时间为100 ms时测量的数据进行反演,透过率残差平方和与甲烷吸收峰值处的残差分别减小16%和100%,提高了气体浓度反演的准确度.     

偏振-米散射激光雷达的研制

研制的偏振-米散射激光雷达（PML）,可用于探测卷云和沙尘气溶胶的后向散射光退偏振比以及研究流层大气气溶胶的消光特性。采用窄带滤光片和光阑,将接收到的激光大气回波信号谱线（米散射和瑞利散射光谱）从天空太阳背景噪声中分离出来,以提高系统的白天探测能力。介绍了偏振-米散射激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法。对偏振-米散射激光雷达的性能参数进行了测定,并对测定结果进行了分析与讨论,给出了偏振-米散射激光雷达对合肥市地区(117.16°E, 31.90°N)上空大气气溶胶的消光特性和卷云的结构、退偏振比垂直廓线以及光学厚度的典型探测结果,对这些结果进行了分析和讨论。结果表明：研制的偏振-米散射激光雷达性能可靠,能对大气气溶胶和卷云的物理和光学特性进行有效的探测。     

混合比和燃烧组分浓度测量系统的原理和设计(英文)

研制了一套新型测量系统,系统由YGA激光器、染料激光器、晶体组、CCD摄像机、图像处理系统和附件等组成.与反斯托克斯拉曼散射、激光诱导荧光、平面激光诱导荧光和拉曼散射系统相仿,该系统具有测量燃烧组分浓度的功能.此外,它还可以测量喷嘴氧化剂和燃料的混合比分布,测量参数是给定时间内给定区域的统计值.系统已经成功用于液体火箭发动机气/气喷嘴、气/液喷嘴和液/液喷嘴喷雾场混合比分布特性研究,并已用于CO、CO2、No、NO2、OH和H2O(g)等燃烧产物组分的浓度测量,这种新系统将成为液体火箭发动机工作过程研究的有力分析工具.     

激光诱导煤样等离子体的表征

以脉冲Nd·YAG激光器泵浦的光学参量发生/放大器输出为激发源,获得了一种家庭用煤样品的激光诱导等离子体(laser induced plasma,LIP)发射光谱。谱线线型呈洛伦兹线型,表明等离子体加宽以Stark展宽为主。利用发射谱线的Stark展宽和强度,通过测量等离子体不同位置的发射光谱,确定了等离子体温度和电子密度的空间分布,发现二者在垂直等离子体发光火焰方向相对火焰中心对称分布,沿发光火焰方向不具有对称分布的特点。发光火焰中心的等离子体温度和电子密度最大,且发光强度较大,因此利用光谱技术测量等离子体特征量时,宜采集火焰中心的发射光谱。样品中有些元素的发射谱线线型显示,等离子体中存在很强的自吸收现象,自吸收程度和激发波长及激光能量密切相关,激发波长接近谱线中心波长时,自吸收现象最明显;随激光能量的增加,发射光谱强度增加的同时,自吸收的程度也增大。把这些现象归因于原子跃迁概率的增大及激光强度增加引起的等离子体中粒子数密度的增大。自吸收现象导致实验观测到的发射谱线强度小于LIP的真实辐射强度,对等离子体进行测量时,应选取不存在自吸收现象的谱线,以便于提高测量准确度。     

超极化气体氙-129的低场NMR测量

在自旋交换光泵过程中,多种参数可能会影响到最终可获得的超极化气体氙-129核自旋极化度.通过低场(0.002 T)核磁共振(NMR)系统研究了连续流动工作模式的自旋交换光泵过程,当混合工作气体流量为0.3 SLPM和0.5 SLPM时,实验测量得到最佳光泵泡工作温度;对于同位素富集和自然丰度的氙-129气体,核自旋极化度的建立时间分别为15 min和22 min.由于混合工作气体的压力以及组分会导致铷原子吸收线的频移和展宽,并且影响到其线型,实验通过低场NMR系统测量确定了用于自旋交换光泵的最佳激光工作波长.低场NMR测量为获得具有高核自旋极化度的超极化气体氙-129,并且能够用于人体肺部MRI研究提供了实验依据.     

混合比和燃烧组分浓度测量系统的原理和设计

研制了一套新型测量系统，系统由YGA激光器、染料激光器、晶体组、CCD摄像机、图像处理系统和附件等组成．与反斯托克斯拉曼散射、激光诱导荧光、平面激光诱导荧光和拉曼散射系统相仿，该系统具有测量燃烧组分浓度的功能．此外，它还可以测量喷嘴氧化剂和燃料的混合比分布，测量参数是给定时间内给定区域的统计值．系统已经成功用于液体火箭发动机气／气喷嘴、气／液喷嘴和液／液喷嘴喷雾场混合比分布特性研究，并已用于CO、CO2、NO、NO2、OH和H2O（g）等燃烧产物组分的浓度测量，这种新系统将成为液体火箭发动机工作过程研究的有力分析工具．     

基于光梳的腔增强傅里叶变换光谱：在碰撞线形研究中的应用

本文在近红外区域构造了基于光学频率梳的腔增强傅里叶变换光谱仪,并用于Ar干扰的CO振转跃迁的谱线研究,高灵敏度的测量波数从6270 cm^-1到6410 cm^-1,涵盖CO第二泛频带的P和R分支. 该光谱仪提供的高分辨率超过了由干涉图长度确定的傅立叶变换分辨率极限,成功消除了线型函数的振铃和展宽效应. 本文可观察到Voigt线型曲线外的碰撞效应. 通过拟合速度依赖的Voigt曲线重新得到碰撞线型曲线参数,并与使用基于光学频率梳的高精密连续激光光腔衰荡光谱测量结果非常吻合.     

纳米流体激光自混频功率谱及其计算

激光自混频技术可用于纳米颗粒和纳米流体的探测。在纳米流体自混频信号自相关函数的基础上,理论推导了功率谱函数的表达式。结果表明,纳米流体的激光自混频信号功率谱是洛伦兹线型和高斯线型的卷积,即佛赫特(Voigt)线型。通过数值计算研究了各种典型情况下激光自混频信号功率谱的频谱特征,颗粒定向运动速度决定了多普勒频移和高斯线宽,颗粒粒度决定了洛伦兹线型的宽度,颗粒粒度和速度与功率谱之间的对应关系为纳米流体的测量提供了理论基础。     

激光感生双光栅中频谱分辨率的研究

研究了用于测量两束光频差的时间延迟激光感生双光栅的频谱分辨率，确定了当泵浦光具有高斯线型时四波混频信号的产生条件，此条件通过在可调谐的窄带激光和宽带激光间的拍频实验得到证实。