光电着舰引导设备激光单元作用距离研究

阐述了光电着舰引导激光测距/跟踪单元的工作原理,从人眼安全和大气窗口两方面讨论并确定了激光发射机波段。通过经验公式计算及MODTRAN实验对比研究了1.5x m全光纤激光的大气透过率。在精确计算大气双程透过率的基础上,分析了激光测距/跟踪单元不同气象条件下的作用距离。在晴与霾两种气象条件下,所设计的激光单元最大作用距离分别为10.8 km和8.5 km,满足光电着舰引导系统对跟踪距离大于6 km的指标要求。     

大气红外辐射传输的简便算法与MODTRAN的比较

以红外辐射的传输理论为基础,考虑高度、倾斜以及气象条件等因素,建立了大气光谱透过率、平均透过率的理论模型与计算方法。利用以此算法为基础的程序进行了模拟计算,可得到3.0～12.0μm的红外大气透过率。将此结果与MODTRAN的计算结果做了比较,在目标高度为20km的范围内,两者吻合较好。该算法简单,便于实际应用。     

静止轨道卫星红外探测大气透过率与蒙气差分析

静止轨道卫星采用CO2和水汽吸收波段进行红外探测,探测性能受观测波段的大气透过率影响显著,同时,大气折射率随空间位置的变化影响目标的定位精度。通过建立大气中探测路径几何模型,利用FASCODE软件计算出路径上2.7μm和4.3μm波段大气透过率和蒙气差并制成图表,蒙气差计算结果与理论估算一致。结果表明,2.7μm波段大气透过率在5～25km高度变化显著,35km以上透过率达95%;4.3μm波段大气透过率在5～45km高度变化显著,50km以上透过率达95%。两个波段的蒙气差相同,对目标位置的影响较少,天顶角8°以内,影响只有50m量级,超过8°,偏差随角度增长很快,到地球圆盘边缘时达到1km。通过插值,透过率数据和蒙气差数据可用于系统设计、性能评估和实时仿真。     

不同海拔地区红外大气透过率的计算和测量

为了得到不同海拔地区的大气透过率,探索大气透过率随海拔高度的变化规律,利用数值模拟、软件计算和实地测量方法分别对阿里(5 km)、德令哈(3 km)和怀柔(0 km) 3个不同海拔地区在4. 605～4. 755μm波段25 km以下的大气透过率进行了计算和测量。结果表明:红外大气透过率随海拔高度增加而增加;采用数值模拟计算得到3个地方的大气透过率分别为0. 709、0. 572和0. 555;采用软件计算得到的透过率分别为0. 849、0. 766和0. 596;采用实测方法得到的透过率分别为0. 805、0.766和0.673;阿里地区海拔较高,相对湿度较低,能见度高,大气透过率最好。该结论对国内天文红外观测及空间红外目标辐射特性测量具有重要的借鉴意义。     

空间目标探测与识别的波段选择

介绍了根据目标的反射率实验测量和大气光谱特征对大气层外目标进行探测的波段选择方法.测量出样品及标准板的反射光强度,计算出样品的光谱反射率,在考虑空间目标自身的辐射强度、光谱反射率、背景大气的辐射亮度、目标-背景对比度、不同波段斜程透过率等诸多因素后进行波段选择.利用MODTRAN大气传输模型计算了目标亮度、背景大气的辐射亮度、对比度以及不同波段斜程透过率的典型光谱特征、并进行光谱特征分析,综合考虑目标的视亮度以及对比度,结果表明0.76～0.90 μm是包覆黄色镀铝聚酯薄膜的目标最佳探测波段,0.52～0.60 μm是包覆银色镀铝聚酯薄膜的目标最佳探测波段.     

基于斜程传输模型的卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究

基于大气气溶胶在空间的不均匀分布,提出并利用激光在大气气溶胶中的斜程传输模型开展卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究,即将气溶胶的分布分为水平及垂直方向,在垂直方向将其分为无穷多层,令每层气溶胶的水平方向浓度分布均匀,结合气溶胶粒子的散射截面、尺度分布函数,计算激光在每层气溶胶中的透过率,最后进行积分得到激光的大气传输透过率.结果表明,与Kim经验公式及Mie理论模型相比,由斜程传输模型计算得到的激光气溶胶透过率更接近实验值,其平均相对误差降低了一个数量级,仅为3.5%,表明该模型可准确地计算激光在气溶胶中的传输特性.结合激光雷达公式,利用该模型对气溶胶中不同轨道高度卫星探测成功率进行数值模拟仿真,发现在轻霾环境中低轨卫星的探测成功率可达40%以上,高轨卫星的探测成功率仅为15%,可利用高效率探测器与高能量激光器实现轻霾环境下的卫星激光测距.研究结果能合理解释已有的实验报道并有效地预估卫星激光测距系统探测性能,为系统的升级改造提供可靠的理论依据和技术保障.     

可见光到远红外波段气溶胶衰减计算模式

 建立了一种根据实测的气溶胶尺度谱分布(Junge指数)、地面能见度、相对湿度和气溶胶衰减廓线计算空间任意两点的气溶胶衰减计算模式,光谱波段范围覆盖了从可见光到远红外(1~25 000 cm^-1)。利用该气溶胶模式及国际上流行软件MODTRAN中的气溶胶模式同时和光栅太阳辐射计(pgs100)实测气溶胶衰减进行了对比,这种模式与MODTRAN相比,因考虑了气溶胶的实际尺度谱分布和高度分布,计算结果更接近实测值。利用所建立的气溶胶模式还分析了气溶胶衰减受各参数的影响,结果表明：气溶胶衰减受各参数影响较大,说明实测气溶胶参数在计算气溶胶衰减中起重要作用。将此气溶胶模式嵌入到我们自己研制的通用大气辐射传输软件CART中进行大气透过率和大气辐射传输的计算,有助于提高计算精度和增强功能。     

1.315μm光解碘激光的大气透过率测量实验

利用1.315μm光解碘激光器在实际大气中作了大气透过率的测量,在中等能见度,相对湿度为64％和温度为21℃的条件下,平均透过率为0.78,同时用现有的数据库和计算程序作了计算比较,发现实验结果与计算值基本一致。     

一种基于离散光谱透过率的红外探测距离模型研究

针对大气透过率是影响红外系统作用距离的重要因素,且随大气环境、波长、距离等因素而复杂变化难以精确描述,研究了大气透过率对红外系统作用距离的影响,提出一种基于离散光谱透过率的红外系统作用距离模型。使用MODTRAN 软件计算出波数间隔为1 cm-1的离散光谱大气透过率,建立大气透过率数据库,计算出波数间隔为1 cm-1的光谱区域内目标的红外辐射功率。应用该模型对实际的战斧巡航导弹进行计算,结果表明该模型具有更高的计算精确度与可行性。     

激光对反舰导弹红外探测器干扰分析

针对激光对红外制导的反舰导弹干扰问题,建立了激光对反舰导弹红外探测器的干扰链路模型,推导了激光海上传输的大气透过率,计算了1．06μm激光在海上大气传输时仰角、能见度与大气透过率的关系,估算了对不同距离的反舰导弹红外探测器实现有效干扰所需发射的激光能量。     

大功率脉冲TEA CO2激光器配气比对输出的影响

大功率脉冲TEA CO2激光器的放电腔在不同工作气压和不同配气比例条件下对激光器输出能量和电光转换效率均有较大影响,因此,通过充气压力从30kPa到60kPa的改变和配气比例CO₂:N₂＝1:1到CO2:N2＝1:4的变化,可以改变激光器的输出能量,提高激光器电光转换效率。实验结果表明：当CO2:N2的配气比例为1:3时,激光器输出的电光转换效率存在最佳点。在最佳配气比例CO2:N2:He＝3:9:28,总气压40kPa和注入激励电能保持不变的情况下,激光器单脉冲放电时的输出能量为24.6J;激光器高重复频率放电运转时的电光转换效率达16.4％。激光器的最高放电频率可以达到500Hz并且连续稳定运行工作。     

Theoretical study of hybrid TEA–CO2 lasers

Temporal and spatial analysis of dynamics of hybrid transversely excited atmospheric pressure (TEA)–CO₂ lasers is studied using two different models with four and eight energy levels. These models are used for simulation of the laser and computing the output energy. Effects of several parameters such as input energies and gas mixture concentrations (especially presence of CO molecules) are also studied.     

大功率TEACO2非稳腔激光器的远场传输特性

针对大功率激光器的远场传输特性,提出了一种测量TEACO,远场光束传输特性的新方法,该法采用相对测量和绝对测量相结合的方式来获得高能激光器的绝对空间光强分布。利用该方法测试了2kW脉冲TEACO,非稳腔激光器在500m处的光强分布,并对测试结果进行了分析讨论。实验结果表明,此方法简单、易行,准确度较高,而且测量过程中考虑了大气湍流的影响,光斑强度相对分布上出现了平顶、破碎并出现旁瓣现象,实测大气透过率为81．5％,最大功率密度为1．59W／cm^2,光束的横向远场发散角达到0．64mrad,基本与理论计算结果相吻合。本研究将为评估激光系统的应用效果及系统的优化设计提供重要的参考。     

Co:LaMgAl11O19 saturable absorber Q-switch for a 1.319 μm Nd:YAG laser

Passively Q-switched output of a flashlamp-pumped 1.319 μm Nd:YAG laser is realized by using Co²⁺:LaMgAl₁₁O₁₉ (Co:LMA) as saturable absorber. When initial transmission of the saturable absorber T₀ is 78%, a Q-switched output pulse with pulse width (FWHM) 44.8 ns and pulse energy 17.4 mJ is obtained, corresponding to 19.3% of the free-running energy under the equal pumping energy of 45.4 J. The experimental results show that the higher T₀ will result in a lower pumping threshold of the laser, but lower T₀ can make the laser generate pulses with higher single-pulse energy, narrower pulse width, and accordingly higher peak power.     

Tunable te-CO2 laser-pumped formaldehyde far-infrared lasers: Offsets, assignment, and superfluorescence

Sixty and three absorption transitions in D₂CO and H₂CO, respectively, have produced a number of far infrared laser lines when they are pumped by an etalon-tuned TE-CO₂ laser. Almost all the absorption transitions pumped previously by a free runing TE-CO₂ laser have been efficiently pumped by the etalon tuned CO₂ laser and found to have offset within ±500 MHz from the line-center of the relevant CO₂ pump lines. 22 (1) absorption and 63 (4) emission lines of D₂CO (H₂CO) are assigned. Some of these lines have generated superfluorescence. In paticular, the D₂CO 319-m line pumped by CO₂-9P(32) delivered an output energy of approximately one half that of the well-known D₂O 66-m. It is shown that a large electric dipole moment and an appreciable amount of fractional population in the lower level of the pump transition of this line are responsible to the superfluorescence.     

激光在准球形边界卷云中传输的衰减和透过特性

高空卷云主要由各种不同形状的冰晶粒子组成,是地空链路上激光信号传输的重要影响因素。依据高空卷云中冰晶粒子的分布特征和散射特性,采用C版本的离散纵标法（CDISORT）,充分考虑地球球形曲率及云层冰晶粒子多次散射影响因素,研究准球形边界云层的激光透过率和衰减特性,并比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下卷云大气激光透过率的差异,数值计算了三种激光波长（0.65,1.06和3.8 μm）在卷云中传输时的衰减和透过特性。计算结果表明：较小太阳天顶角（小于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差很小,其中0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差仅为1.72%,较大太阳天顶角（大于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差明显增大,0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差最大达到69%;卷云粒子单次散射时,激光在云层的衰减与卷云粒子有效半径、传输距离、光学厚度及激光波长等因素有关,随光学厚度的增加,云层的激光透过率减少,1.06 μm激光波长入射时透过率最大,3.8 μm激光波长入射时透过率最小;0.65和1.06 μm激光波长入射时,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐增加,而3.8 μm波长激光,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐减少,随相对方位角的增加,云层的激光透过率减少,且不同卷云传输模型对激光透过率也存在不同的影响。该研究工作将为开展地空链路星载、机载激光通信、激光雷达探测等工程系统中的激光信号云层传输特性的应用提供理论支持,同时也可进一步拓展为地空链路激光遥感、制导和预警等应用提供预先理论研究基础。     

Passively Q-switched Nd:LuVO4 laser using Cr:YAG as saturable absorber

A passively Q-switched all solid-state Nd:LuVO₄ 1.06 μm laser was demonstrated by using Cr⁴⁺:YAG as saturable absorber. The characteristics of average output power, pulse width, repetition rate, pulse energy, and peak power were studied with different output couplings and initial transmission of saturable absorbers. When output coupling with the transmission of 20% was used, the shortest pulse width of 16 ns at the repetition rate of 12.5 kHz was obtained, which results in the pulse energy of 71 μJ and peak power of 4.43 kW with the initial transmission of 70% of Cr⁴⁺:YAG crystal.     

环形腔2.05μm单谐振KTP晶体光参量振荡器研究

针对大气CO_2浓度探测差分吸收激光雷达的应用需求,采用稳定环形腔和模式匹配设计,搭建了一套单纵模1 064nm激光泵浦的单谐振KTP晶体光参量振荡器,获得高斜率转换效率、基横模的2.05μm波长纳秒激光脉冲输出.在8字形环形行波稳定腔中,将2块II类相位匹配KTP晶体以走离补偿方式放置,在20Hz重复频率下,当泵浦单脉冲能量达到11mJ时,获得了单脉冲能量为2.4mJ的2.05μm信号光输出,脉宽约24ns,斜率效率达到53%.2.05μm信号光光束质量因子在x、y方向分别为1.3和1.2.     

Atmospheric modelling using FASCOD to identify CO2 absorption bands and their suitability analysis in variable concentrations for remote sensing applications

Recent climate studies have proven that both temperature and CO₂ content of the earth's atmosphere followed a regular 100,000-year cycle of change and that they are closely correlated. Moreover, the observed increase of CO₂ in the atmosphere exceeds the predicted values extrapolated from historical data. Other than industrialization and rapid urbanization, geo-natural hazards such as leakage from hydrocarbon reservoirs and spontaneous combustion of coal contribute a considerable amount of CO₂ to the atmosphere. Several researchers have studied the possibilities and reliabilities of atmospheric CO₂ retrieval by the point-based method (nearly accurate but much localized) and globally (wider observation but many uncertainties). Radiative transfer codes, such as FASCOD (Fast Atmospheric Signature Code) with the HITRAN (High-Resolution Transmission) spectral database can simulate atmospheric transmission and path radiance with customized gas composition (CO₂, water vapour, CO, etc.) and concentration in order to understand the phenomena in a specific wavelength region. In the present study, a number of atmospheric models were constructed with different CO₂ concentrations (ppmv) with a combination of water vapour and other atmospheric gases such as CO, CH₄, N₂O, SO₂, etc., to find out the interference patterns of these gases over CO₂ absorption bands. The transmission features of these gas combinations were analysed by partial least-squares regression models. These models show that the most suitable CO₂ absorption bands are located around 2 μm, such as 1.998 and 2.001 μm. The spectral information derived from different concentrations of CO₂ can be fitted in multivariate models to predict the CO₂ concentration from spectral information in a controlled environment. Furthermore, the present study explores the sensitivity of some available remote sensing sensors in variable CO₂ concentrations for use in real world.     

基于MgO:APLN的多光参量振荡器实验研究及其逆转换过程演化分析

对基于MgO:APLN的多光参量振荡器进行了实验研究. 通过优化MgO:APLN极化结构及参量光耦合输出透过率, 在200 kHz高重复频率1064 nm激光抽运下, 通过单极化晶体实现了1.57 μm, 3.84 μm跨周期参量光输出, 平均功率分别达到2.4 W和1.31 W, 对应光-光转换效率为11.54%和6.25%. 同时针对多光参量振荡过程的逆转换现象, 通过耦合波方程对其进行了数值演化, 并引入“逆转换能量传导区”概念, 指出逆转换能量传导区的存在促使弱增益光学参量振荡器的参量光得到二次增强, 所得结论与实验结果相符合.