在周期性极化铌酸锂波导中的波长转换与光谱分析

实验研究了在准相位匹配LiNbO₃波导中级联的倍频和差频波长转换,通过对转换频谱分析和波形对比分析,讨论了在脉冲泵浦情况下走离效应对光脉冲之间波长转换的影响：由于波导的色散性能,不同波长的光脉冲在波导中传播具有不同的群速度,处在0.8 μm光波段的倍频光脉冲比处在1.55 μm光波段的泵浦光脉冲的传播速度慢,导致了倍频光脉冲与泵浦光脉冲在传播的过程中发生走离;因此倍频脉冲在频域被压缩而在时域被展宽,并遗传给差频过程使得转换脉冲的谱宽变窄、脉宽增加、占空比变大,表明脉冲光泵浦波长转换对信号频谱及波形不是严格透明的转换。实验同时实现了一对多通道的波长转换,表明连续控制光的线宽对转换信号的信噪比有较大的影响。     

一次人工触发闪电回击过程的光辐射色散特性分析

采用改进的连续小波变换对一组人工触发闪电的回击过程光学辐射信号进行了色散特性分析,并与经典R-L-C传输线模型的计算结果进行了对比.结果表明,回击过程光学辐射信号不同频率分量的到达时间随频率的增加具有非线性变化;在不同频率分量的到达时间曲线上,低频段均出现了一个转折频率,并且转折频率的大小通常在10—25 kHz之间.该转折频率的存在为评估回击通道特性和电导率提供了一类新的参数化依据,据此估算了此次触发闪电六次回击过程的通道电导率,平均变化范围为(0.59—0.96)×10⁴ S/m,总体平均值约为0.77×10⁴ S/m,与经典评估结果相似.     

高阶群速度色散引起的高斯超短脉冲宽度的展宽和形变

基于动量守恒和光参变过程中的三波耦合波方程,和负单轴非线性光学晶体CsLiB6O10的色散方程,研究了在光参变效应中超短激光脉冲由于群速度色散引起的展宽和形变。数值模拟显示,在超短脉冲波形为双曲正割形和无啁啾调制时,高阶群速度色散引起的超短脉冲为50fs时,晶体长度为10mm,紫外光213nm作为基波入射时的脉冲展宽是波长为532nm绿光在同等条件下的1.6倍。脉冲展宽程度与入射波长和晶体长度有关,波长越短和晶体长度越长则脉冲展宽和波形变化越严重,高阶色散引起的超短高斯脉冲展宽,将破坏其波形对称性并引起旁瓣现象。     

线性啁啾光脉冲在具有纵向增益光纤中的自相似传播研究

非线性薛定谔方程是光脉冲在光纤中传播时所遵循的基本方程.本文利用分步傅里叶方法从数值结算的角度研究了具有线性啁啾的光脉冲在具有横向增益光纤中的自相似传播特性.研究表明:当群速度色散系数和光脉冲的啁啾系数符号相同时,由于在传播过程中自相位调制和群速度色散分别起主要作用,不论何种形式的光脉冲在传输过程中均会受到压缩,但随着传播距离的增加压缩的光脉冲会展宽;埃尔米特高斯输入和正弦输入在传播过程中的光强分布是对称的,拉盖尔高斯输入在传播过程中会发生能量交换而表现出明显的偏转;当群速度色散系数和光脉冲的啁啾系数符号不相同时,在传播过程中群速度色散始终起主要作用,脉冲一直展宽.这些研究结论可能为未来光纤压缩器、光纤放大器以及新型THz调制波源的制备提供新的理论基础和方法.     

线性啁啾光脉冲在具有纵向增益光纤中的自相似传播研究

非线性薛定谔方程是光脉冲在光纤中传播时所遵循的基本方程.本文利用分步傅里叶方法从数值结算的角度研究了具有线性啁啾的光脉冲在具有横向增益光纤中的自相似传播特性.研究表明:当群速度色散系数和光脉冲的啁啾系数符号相同时,由于在传播过程中自相位调制和群速度色散分别起主要作用,不论何种形式的光脉冲在传输过程中均会受到压缩,但随着传播距离的增加压缩的光脉冲会展宽;埃尔米特高斯输入和正弦输入在传播过程中的光强分布是对称的,拉盖尔高斯输入在传播过程中会发生能量交换而表现出明显的偏转;当群速度色散系数和光脉冲的啁啾系数符号不相同时,在传播过程中群速度色散始终起主要作用,脉冲一直展宽.这些研究结论可能为未来光纤压缩器、光纤放大器以及新型THz调制波源的制备提供新的理论基础和方法.     

光子晶体中缺陷的色散导致的群速度降低

利用传输矩阵方法计算了包含色散媒质缺陷的一维光子晶体的复透射系数，其中色散媒质用洛仑兹振子模型描述。计算了由复透射系数定义的等效复折射率并由此研究了频谱位于缺陷模频率附近的光脉冲的群速度。结果发现，由于缺陷模附近的透射谱敏感地依赖于缺陷层的光学厚度，而缺陷层的色散使缺陷层光学厚度随频率变化而改变，从而使包含缺陷的光子晶体的等效色散性质明显地依赖于缺陷的色散行为。由于光脉冲是由多种频率成分的单色场迭加构成的，透射脉冲由各单色场透射后重新迭加构成，因此波包的传播由介质的等效色散性质决定。与包含无色散缺陷的光子晶体相比，缺陷的色散可导致极慢的群速度。通过改变振子强度，群速度可从极慢光速转变为超光速(superluminal)。     

无反转放大效应(AWI)对光速减慢与负群速传播的影响

由于光子作为信息的载体有着天然的优越性,例如,传播速度快,信息量大等.所以各国科学家都在不断地寻找各种方法去操控光子.其中电磁感应透明(Electromagnetically Induced Transparency, EIT),电磁感应吸收(Electromagnetically Induced absorption, EIA)和无反转放大效应(Amplification Without Inversion, AWI)作为控制光子的手段一直受到人们的关注.电磁感应透明现象(EIT)可以实现共振光无吸收传播的同时伴随有大的群速度色散效应.我们实现了无缓冲气体的铯泡(Cs)中的光脉冲群速度的减慢,通过在EIT的原子系统上加入非相干泵浦来产生AWI效应,我们发现光脉冲在其中的传播速度随着泵浦光强的增加而明显减小,延迟时间增加一倍,光脉冲的群速度相当于c/40000.此外,我们还利用电磁感应吸收现象(EIA)产生的大的负群速度色散效应,我们观察到了在无缓冲气体的铯泡(Cs)中,光脉冲的负群速度传播的现象.通过EIA原子系统中非相干泵浦光的加入,AWI 效应使得超光速现象变得更加明显,光脉冲的负群速度变得更大.最大的光脉冲超前时间可以达到0.9 μs,相当于光脉冲的群速度为-c/40000.     

频率啁啾光脉冲在行波半导体激光放大器中的传播特性

本文就行波半导体激光放大器(TW-SLA)中载流子引起的群速度色散对激光脉冲传播特性的影响作了理论研究.由于载流子引起的群速度色散效应,使远离饱和区工作的TW-SLA会对有频率啁啾的光脉冲产生展宽或压缩.本文就TW-SLA参数、频率啁啾参数跟脉冲增宽因子的关系作了理论研究.结果表明,线性的TW-SLA具有对低能量光脉冲压缩的可能性.因此,在光学通信系统中,它可用作对光纤损耗及色散的补偿元件.     

光子晶体波导慢光特性研究

基于二维三角晶格空气孔光子晶体,通过在光子晶体单线缺陷波导两侧引入不同的耦合腔,设计了慢光特性较好的波导结构.利用平面波展开法计算波导的色散曲线,并分析慢光模式的群速度和群速度色散特性.耦合腔采用单缺陷腔时,适当调节波导宽度可以获得在零色散点群速度为0.0128c的慢光模式,对应在1.55 μm波长处的带宽为409 G...     

光子晶体光纤非线性光谱特性的理论与实验研究

光子晶体光纤具有特殊的导光机制和结构可调性,可以产生奇异的色散特性及高非线性,为非线性光纤光学领域的研究提供了新的条件。受多种非线性光学效应的共同作用,在不同泵浦光脉冲参数条件下,不同结构参数及传输特性的光子晶体光纤能产生丰富的非线性光谱。利用分步傅里叶方法求解非线性薛定谔方程,模拟飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输过程,获得输出光谱与入射光脉冲参数(泵浦光峰值功率P、泵浦光波长λ、光脉冲形状、光脉冲宽度T_FWHM)、光纤结构参数(孔间距Λ、空气填充比d/Λ、光纤长度z)、传输特性(色散、非线性系数)的关系,分析拉曼孤子、色散波、自相位调制等非线性效应产生的光谱特性。利用光子晶体光纤包层节区进行非线性光学实验研究,获得了孤子波和色散波的宽带光谱输出。理论分析与实验测量的光谱中都包括了波长0.5 μm附近可见光波段的蓝移色散波、0.82 μm波段的剩余泵浦光、1.1 μm波段的孤子波、2 μm附近的红移宽带色散波。理论分析与实验测量结果一致,阐明光子晶体光纤中非线性光谱产生的物理原理,实现了对宽带光谱的可控输出,为高非线性光子晶体光纤的结构设计、制备及非线性光谱的应用研究奠定基础。     

依据光谱研究闪电回击通道核心的特征参数

闪电回击通道核心中的大电流及其强电磁辐射是引发多种雷电灾害的主要根源。随着现代科技的飞速发展,闪电防护工作显得越为重要。为了完善闪电防护系统,需要从描述闪电回击通道核心的特征参数入手深入研究闪电通道形成和发展过程的微观物理机制。截至目前,光谱观测是获取闪电通道核心特征参数的最佳手段。2015年夏天在青海高原地区的野外试验中,利用由高速摄像机作为记录系统组装的无狭缝光栅摄谱仪,结合快天线地面电场测量仪,记录到一次包括四个回击的云地闪电放电过程的光谱以及与之同步的快电场变化信息。依据光谱,结合等离子体理论计算得到闪电回击通道核心的电导率。在此基础上,应用闪电电动力学模型计算了闪电回击速度、峰值电流、贯穿通道核心的电磁场以及通道核心单位长度的峰值功率等特征参数。结果表明,回击速度在(1.2～2.3)×108 m·s-1的范围内;贯穿回击通道核心的轴向电场、径向电场和磁感应强度的最大值分别在(1.42～1.74)×105 V·m-1,(8.22～9.99)×108 V·m-1和(1.51～2.83) T的范围内。当闪电回击的峰值电流在(7.52～24.05) kA的范围内时,回击通道核心的峰值功率在(0.63～1.92)×109 W·m-1的范围内。另外,分析了电导率、起始电场峰值、回击速度和峰值电流与峰值功率之间的相关性,结果发现峰值电流和峰值功率具有良好的线性关系。研究结果可为探索闪电回击通道形成和发展过程的微观物理机制提供参考依据。     

空间多普勒激光雷达地面散射信号分析

为了扩展空间多普勒激光雷达地面散射信号的应用范围,采用多个机载多普勒激光雷达飞行实验数据,对地面散射信号的强度、海拔高度、速度等特征进行了数据分析,并利用地面散射信号与上层大气信号强度的比值,可以等效体现地面反射率特征,即地面散射信号解算的海拔高度与数字海拔高度模型数据相吻合,两者平均值偏差小于20 m,标准偏差小于100 m;使用地面散射信号实现飞机速度校正,与使用飞机平台数据解算的结果具有较好的一致性,采用直接探测手段时,标准偏差小于1.5 m/s,采用相干探测手段时,标准偏差小于0.5 m/s,验证了利用地面散射实现空间平台速度校正的可行性。另外,针对云散射信号的存在和影响,提出了一种利用海拔高度数据比对的方法,实现云散射和地面散射的识别。     

自然闪电条件下敷地线缆耦合试验

研制了一套能够同时测量线缆皮线和芯线感应电流的试验系统,研究自然闪电条件下敷地线缆的耦合问题。结果表明:不同位置处的线缆皮线感应电流波形基本一致,但幅值存在一定差异,说明感应电流空间分布不均匀; 所测线缆芯线和皮线感应电流的时域波形和频谱比较相似,能量集中在1 kHz~1 MHz之间; 正负地闪芯线感应电压波形均为单一脉冲型,波形持续时间10~49 μs; 正地闪线缆感应电压的幅值范围及幅值平均值都大于负地闪相应结果,说明正地闪产生的线缆耦合作用大于负地闪; 不同雷电过程的线缆感应电压幅值与磁感应强度有较小的相关性,而同一雷电过程则基本成线性关系; 正地闪线缆感应电压波形持续时间、半峰值宽度、10%~90%上升时间的范围及均值都比负地闪的要大。     

人工触发闪电电流波形特征参数分析

通过分析在夏季强雷暴活动频繁的山东滨州地区连续4年人工触发闪电实验中所获得的闪电回击通道底部电流资料,结果表明人工触发闪电回击峰值电流几何平均值为14.6kA,电流波形10％—90%上升时间和30％—90%上升时间的几何平均值分别为2.3μs和1.8μs,相应上升陡度分别为4.7kA/μs和4.4kA/μs.波形半峰值宽度的几何平均值为17μs,回击1ms内转移电荷量的几何平均值为1.2C,回击电流作用积分的几何平均值为6.1×10³A²s.对比研究表明回击峰值电流与接地状况、回击电流波形的上升时间以及半峰值宽度之间没有明显相关性,但与电流波形上升陡度以及回击1ms之内转移电荷量之间存在相关性,回击峰值电流（I_p）与回击1ms内转移电荷量（Q）之间满足关系式：I_p=14.1Q^0.69.通过与自然闪电放电参数的对比分析表明,人工触发闪电回击过程与自然地闪放电的继后回击过程相似. 关键词： 人工触发闪电 地闪 闪电电流 回击     

可调脉冲宽度的调Q掺铥双包层光纤激光器

在激光器输出平均功率一定的情况下,峰值功率主要取决于调制频率和脉冲宽度。这使得脉冲宽度的调节具有一定的实际应用价值。对调Q掺铥双包层光纤激光器进行研究,首先确定了激光器的最佳输出透过率,在65%最佳透过率时,得到2 m激光的输出功率3.9 W,斜率效率为31%。外接一个信号发生器,信号门宽从12 s变化到18 s,并测量了调制频率分别在30 kHz、40 kHz和50 kHz时输出脉冲宽度的变化情况,得到了555.6 W的最高峰值功率,实现了脉冲宽度从163.4 ns到207.9 ns的变化。实验情况证实了用外接信号发生器能有效控制激光器的输出脉冲宽度。     

Measurement of acoustic particle velocities in enclosed sound field: Assessment of two Laser Doppler Velocimetry measuring systems

The performances of two Laser Doppler Velocimetry (LDV) systems adapted for measuring the acoustic particle velocities are assessed in enclosed sound field. This assessment is performed by comparing the acoustic velocities measured by means of LDV to reference acoustic velocities estimated from sound pressure measurements. The two LDV systems are based on a single optical bench which delivers an optical signal called Doppler signal. The Doppler signal, which is frequency modulated, is analyzed by means of two signal processing systems, the BSA (Burst Spectrum Analyser from Dantec) on the one hand, and a system specifically developed for the estimation of the acoustic velocity on the other hand. Once the experimental setup has been optimized for minimizing the errors made on the reference velocities, the assessment is performed and shows that both systems can measure the acoustic velocity in enclosed field in two the frequency ranges [0-4 kHz] and [0-2 kHz] respectively for acoustic velocity amplitudes of 10 mm/s and 1 mm/s.     

室内可吸入颗粒物运动特性的格子 Boltzmann方法模拟

为探究室内可吸入颗粒物的运动特性,使用格子Boltzmann方法,在颗粒物运动概率模型的基础上考虑布朗力对颗粒物的作用,利用改良的LB-CA（Lattice Boltzmann-cellular automata）模型,模拟了Re数分别为400、1 000和2 000时粒径为0.01 μm、0.1 μm和1 μm的颗粒物在上送上回和上送侧回两种回风形式中的运动特性.结果显示：颗粒物的空间分布范围随着Re数的增大而增大,小粒径的颗粒物受到气流湍动和扩散作用的影响更明显;颗粒物的均方位移（mean square displacement,MSD）与Re数、颗粒物粒径的大小成反比,而同样的Re数下,颗粒物在上送侧回的回风形式中其MSD较大.总体上看上送侧回的回风形式具有较低的悬浮颗粒数和更高的室内空气品质.     

基于VHF辐射源短基线定位系统对闪电放电过程的研究

利用闪电VHF辐射源短基线定位系统2009年东北大兴安岭地区的观测资料,对正、负地闪和云闪放电过程中的VHF辐射源进行了定位研究.根据闪电VHF辐射源的二维位置(方位角和仰角)随时间的演变特征,结合同步观测的快、慢电场变化资料分析发现,持续时间较长的地闪预击穿过程在云中的放电通道呈双层结构,预击穿过程结束阶段的云内放电表现为反冲流光,预击穿过程的平均速度在10⁴m/s量级.预击穿过程为梯级先导的发展提供了必要的条件,梯级先导从预击穿起始位置开始并向下发展,产生较强的辐射,平均速度在10⁵m/s量级.K过程主要是流光沿之前已电离通道的传输.正、负地闪回击阶段前后的放电特征有明显不同,正地闪回击之后,连续电流期间的较长时间的云内放电产生较强的VHF辐射.对闪电在125---200MHz频段范围的VHF辐射频谱特征的统计分析发现,辐射能量呈现出幅值随频率增加而减小的趋势,在通带范围上基本遵循f^-2.9的衰减率递减.     

闪电等离子体连续辐射谱特征分析

闪电等离子体光谱特征是在强连续辐射背景上叠加丰富的NⅡ,NⅠ,OⅠ,HⅠ线状谱,闪电回击通道温度可达万开以上,通道内氮分子和氧分子接近完全离解,分析连续谱时,不考虑各组分分子带状谱对连续谱的影响。使用摄谱范围在400~1 000 nm的无狭缝光栅摄谱仪记录云对地闪电放电光谱,在光谱可见区低频段观测到大量一价氮离子谱线,未观测到明显的其他离子谱,认为连续辐射机制主要由氮离子与自由电子相互作用产生,包括轫致辐射和复合辐射。等离子体温度在1×104 K以下时轫致辐射连续谱呈现出平谱特征,辐射强度较弱,随着等离子体温度升高在紫外段辐射强度增加,对可见段连续谱轮廓特征没有明显影响。对于复合辐射,设闪电等离子体符合局域热力学平衡和光学薄条件,以类氢离子经典辐射理论为基础,以冈特因子作量子力学修正,考虑到复合过程中自由电子被离子俘获,大概率出现在高激发状态,引入非类氢的复杂离子近似计算方法分析氮离子复合辐射过程,导出连续谱复合辐射系数与波长的函数关系,获得特定参数条件下氮等离子连续辐射谱特征曲线,与闪电连续谱轮廓观测结果比较,发现等离子体电子温度与连续辐射谱谱峰位置密切相关,认为通过对闪电连续谱轮廓拟合,能够可靠诊断闪电放电通道表面电子温度。研究认为氮离子实有效核电荷数Z*取值对连续谱特征也有显著影响,Z*取值小,连续谱跃变特征增强;Z*取值大,连续谱展宽特征增强,从而与实测谱轮廓底部背离增大。通过多次对比发现Z*取为2~4时,理论曲线与连续谱观测轮廓具有较好的一致性,Z*的取值范围由离子种类决定,引入离子有效核电荷数Z*,能够很好地解释闪电等离子体连续谱在特定波长出现跃变的特征。     

闪电的分形特征研究及其在自动识别中的应用

利用2009年夏季青海地区的快电场变化测量仪的野外观测资料, 对120例地闪和77例云闪辐射场信号的分形特征进行了深入研究, 结果表明地闪辐射场信号的分形维数与云闪辐射场信号的分形维数有明显的差别, 再利用闪电的分形维特征, 构造了5个特征值, 将其作为支持向量机的输入进行地闪和云闪不同放电类型的识别, 有效识别率达到95%以上; 通过构造地闪辐射场时间序列信号的分形维数轨迹图表明分形维数最低点对应于原时间序列的回击位置, 利用分形维数轨迹中的最低点的位置能够快速准确地对地闪辐射场信号的回击点进行检测, 检测率可达到100%. 分形维是闪电的一种具有鉴别性的特征, 可用于闪电的智能分析与自动化处理. 关键词： 闪电信号 分形维数 支持向量机 自动识别