基于多光子脉冲内干涉相位扫描法对飞秒激光脉冲进行相位测量和补偿的研究

研制了一套基于多光子脉冲内干涉相位扫描方法的可以同时对飞秒激光脉冲进行相位测量和补偿的实验系统装置.实验中,通过自主研发的LabVIEW程序控制液晶空间光调制器和光纤光谱仪,对待测飞秒激光脉冲施加相位扫描,并同时记录受到调制的飞秒激光脉冲的倍频光谱,得到了多光子脉冲内干涉相位扫描(MIIPS)轨迹图.通过MIIPS轨迹图的三次测量和迭代运算,还原出了经过预先啁啾调制的中心波长约为810 nm、重复频率为1 kHz的飞秒激光脉冲的光谱相位,测量精度在0.1 rad以内.根据测量结果,利用液晶空间光调制器对该飞秒激光脉冲进行相位补偿,得到了近似傅里叶变换极限的飞秒激光脉冲.这一装置将在多光子显微成像、脉冲整形、飞秒激光光谱学等众多领域发挥重要作用.     

机载大气探测激光雷达人眼安全分析

 依据美国ANSI标准,模拟计算了0~12 km的高度范围内不同的激光束发散角和不同激光脉冲能量比例的532和1 064 nm激光脉冲人眼安全最大阈值能量。给出两种532和1 064 nm激光脉冲人眼安全最大阈值能量分配方案：(1)激光束发散角为0.3 mrad且532与1 064 nm的激光脉冲最大阈值能量之比为1∶2;（2）激光束发散角为0.4 mrad且532与1 064 nm的激光脉冲最大阈值能量之比为1∶1。分析了用这两种激光脉冲人眼安全最大阈值能量分配方案探测模式大气时所对应的信噪比。分析结果表明：这两种方案既能保证机载激光雷达对模式大气探测时地面人眼安全又能达到探测所要求的信噪比。     

基于2D微电子机械系统(MEMS)镜全向激光雷达光学系统设计

为了满足全向激光探测的需求,提出一种基于2DMEMS镜扫描的激光雷达结构。激光器通过1×6高速光开关分时地给6个扫描子系统提供光信号,6个扫描子系统探测视场叠加起来可实现360°激光探测。每个扫描子系统的扫描范围为60°×30°,其中包含一个扩展MEMS镜扫描角度的发射光学天线和一个大视场有增益的接收光学天线。发射光学天线将MEMS镜±10°的扫描角扩展到±30°,发散度小于0.2mrad;接收视场内的激光波经过接收天线在探测器上所成的半像高小于1mm,接收增益为3.65。通过计算修正后的激光雷达方程可得到发射功率20 W的激光束在工作距离100 m内的回波功率≥1 nW,结果表明该光学系统可适用于激光雷达系统。     

高光谱分辨率激光雷达鉴频器的设计与分析

提出了利用Fabry-Perot干涉仪的反射场实现高光谱分辨率激光雷达精细探测大气光学参量的新方法和思路.设计了高光谱分辨率的分光系统,并分析了干涉仪反射场的光谱透过特征曲线.结合高光谱激光雷达探测信号特征,讨论分析了谱分离比和瑞利信号透过率随反射率和腔长的变化曲线,同时结合误差传递公式,建立了仿真分析模型,讨论了回波光束发散角和入射角变化对激光雷达探测结果的影响.结果表明,所提出的Fabry-Perot干涉仪反射场可以实现高光谱分辨率激光雷达探测系统的精细分光,同时探测结果误差随回波光束发散角变化不敏感,控制发散角在10 mrad以内,入射角在1.5 mrad以内时,可以实现气溶胶光学参数廓线的高精度探测.     

旋转扫描式成像光谱仪高光谱的几何变形矫正

Offner成像光谱仪是一种线推扫式成像系统,需要光谱仪与物体之间存在相对移动,从而记录整个区域的光谱和形貌信息。在光谱仪镜头前放置一块反射镜进行旋转扫描,也可以对大尺度物体进行高光谱成像,并且相机固定不动。然而旋转扫描时,记录的高光谱图存在较大的几何误差。该工作分析一般情况下Offner成像光谱仪单次拍摄得到的物点和像点的投影关系;根据投影关系,以旋转角为变量,分析物点在成像面上的投影分布,给出图像几何变形的矫正方法。在成像光谱仪上设计并安装了反射镜旋转扫描装置,进行旋转扫描实验,通过矫正算法,得到了清晰的高光谱图。     

光谱扫描滤波法提升超强飞秒激光相干信噪比分析

光谱调制所形成的预脉冲和后沿脉冲的时频谱图将等间距、 平行地分布于啁啾主脉冲时频谱图的两侧, 基于光谱调制啁啾光脉冲的这种时频谱特点, 采用扫描滤波方式来提升其对比度. 数值模拟分析了扫描滤波过程中时间抖动、 扫描率差异和通带宽度等因素对扫描滤波效果的影响, 结论表明, 在扫描轨迹与信号光频率相同的情况下, 控制通带宽度, 相干信噪比提升率接近0.41F²倍, 而啁啾信号光以超过90%的透光率通过光谱扫描滤波器. 关键词： 超快激光技术 相干信噪比 光谱扫描滤波 短时傅里叶变换法     

高功率激光器抗失调谐振腔的实验研究

为简化高功率激光器谐振腔结构,提高激光谐振腔的稳定性,增加基模体积,改善光束质量,提出了两种新型激光谐振腔结构,分别是带角隅反射镜的激光谐振腔和直角内圆锥面反射镜激光谐振腔。使用高功率脉冲CO2激光器,研究了这两种激光谐振腔的输出特性和腔镜失调的关系,并结合平凹稳定腔,对三种激光谐振腔的抗失调稳定性进行了对比。实验结果表明,随着全反镜或平面输出镜失调角的增加,角隅腔激光器的单脉冲输出能量下降速度小于直角内圆锥面全反镜腔。两种新型谐振腔全反镜的抗失调稳定性都超过平面输出镜。角隅全反镜谐振腔和直角内圆锥面全反镜谐振腔的抗失调稳定性均大大超过平凹稳定腔。     

红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法

为解决扫描镜摆角实时动态非接触测量问题,基于激光检测技术和CCD探测技术,提出一种红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法,并研制了扫描镜摆角动态测试系统,其可实现扫描镜的摆动频率、零位角、幅值、峰峰值平均等参量的动静态激光非接触测量。介绍了系统的组成和总体结构,着重对扫描镜摆角动态测量理论和大视场、大相对孔径特殊线性扫描光学系统的设计方法进行了分析与探讨,通过建立系统的数学模型,解决了测量数据误差修正与图形处理问题。对测量系统的精度进行了验证,结果表明系统的摆角测量范围为0~±12°,分辨力为0.01°,动静态测量精度优于±0.04°。     

二维扫描镜像旋特性分析

扫描拼接技术由于原理简单、易于实现而被广泛应用于全景成像系统中,然而该系统中使用的二维扫描镜在工作过程中会引起图像旋转.对二维扫描镜引起的像旋进行特性分析能够指导全景成像系统中像旋校正.假设物理为球面,基于光学反射矢量理论基础对水平扫描和俯仰扫描进行像旋特性分析比较.仿真结果表明二维扫描镜在水平扫描时像旋角与旋转角比例为1∶1,而俯仰扫描不存在比例关系,可以对精确实现光机消像旋提供指导作用.     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统EI北大核心CSCD

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

光谱扫描滤波法提升飞秒激光信噪比的理论分析

在时间--频率域中,啁啾脉冲被淹没在放大自发辐射等噪声中,且其瞬时频率线性分布,基于此,提出采用光谱扫描滤波的办法来提升高功率飞秒激光系统的信噪比,并以法布里--珀罗干涉仪作为光谱扫描滤波器,对该法提升信噪比的效果进行了详细的理论分析.采用短时傅里叶变换方法,研究了光谱扫描滤波器对自发辐射放大(ASE)的滤波效果,数值分析表明,在时间抖动为-2 ps到2 ps之间、光谱扫描滤波器的通带宽度为0.4 nm条件下,该法能将飞秒激光系统的信噪比提升2个量级,而啁啾信号光以超过90%的透光率通过光谱扫描滤波器;级联光谱扫描滤波方式能进一步提升飞秒激光信噪比.     

基于对称楔形干涉腔的高光谱成像方法

高光谱成像技术在众多领域中具有广泛的应用潜力,仪器的轻小型化能够助力该技术的推广。为探索新的干涉高光谱成像技术方案,研究了一种新型的基于对称楔形干涉腔的高光谱成像方法。通过在成像系统中加入对称楔形干涉器,实现干涉光程差与视场角的关联调制。通过分析系统的工作原理,设计了系统的干涉成像光路模型,并对干涉腔楔角、反射率、成像物镜等主要参数和成像推扫方式进行了讨论分析,采用Zemax光学设计软件对干涉成像光路进行了仿真研究。研制了原理样机,对激光光源和实际场景目标进行了光谱成像实验,得到了较好的实验结果。研究表明,该高光谱成像方法不仅具有高光通量、高光谱分辨率的优点,而且能够有效实现仪器的轻小型化。     

衍射透镜补偿声光偏转器扫描飞秒激光的色散

在飞秒激光随机扫描双光子显微成像系统中使用宽带二维声光偏转器扫描飞秒激光,可以增大扫描角度至74 mrad,增大双光子显微成像范围。但宽带二维声光偏转器在大角度扫描时引入的色散较大,造成成像范围边缘的光斑严重畸变,边缘光斑直径达2.3 μm,影响边缘视场的成像质量。为了提高成像质量,设计了一种新的色散补偿方法,基于衍射透镜组成的开普勒望远系统,可以同时补偿不同扫描角度的不同色散。经过色散补偿后成像边缘的光斑直径小于1 μm,使系统获得大范围扫描成像的同时,所有扫描角度的色散都能够得到很好的补偿,在整个视场范围内光斑直径小于1 μm,实现更均匀的荧光激发,均匀成像。     

高光束质量Nd:YAG激光系统的研制

 针对惯性约束核聚变驱动器激光预处理系统的需求,研制了一套高功率高光束质量Nd：YAG 激光系统,该系统中采用了高稳定的被动调Q单纵模振荡器、受激布里渊散射脉冲压缩和高效聚光腔等多种技术,获得了脉冲宽度3ns、激光能量1.1J、远场发散角0.3mrad的激光输出。     

一种提高非扫描激光雷达距离分辨率的方法

现有非扫描激光雷达阵列探测器的信噪比较低,影响到系统的距离分辨率,详细分析了阵列探测器的噪声特性,得出了噪声满足各态历经性的重要结论,并指出在输入信号相同的条件下,可以通过空域积累代替时域积累的方法提高距离探测器的信噪比.并根据前述结论针对非扫描激光雷达/电视复合成像系统,提出一种采用改进邻域平均的图像处理方法提高非扫描激光雷达系统距离分辨率的图像处理方法,并应用于实际系统,结果表明该方法能够有效提高非扫描激光雷达系统距离分辨率.     

角隅全反镜谐振腔激光器的输出特性

 在高功率脉冲气体激光器中,用角隅反射镜作为全反镜,平行平面镜作为输出镜构成角隅全反镜谐振腔。对角隅腔激光器的输出特性和抗失调稳定性进行了研究,并与平凹腔和平平腔激光器进行了比较。实验结果表明：在角隅全反镜失调角为16 mrad时,角隅腔激光器的单脉冲输出能量下降9.2%,且近场输出光斑没有明显变化;而凹面全反镜失调角仅为0.4 mrad时,平凹腔激光器输出能量下降了9%,近场输出光斑严重变形。在输出镜正前方3.12 m处测量,当角隅镜偏转16.3 mrad时,激光器输出光斑与标准状态时的输出光斑重合;凹面全反镜失调角为0.4 mrad时,激光器输出光斑位移14 mm。经模式仪分析表明,角隅腔激光器近场光强分布均匀。     

内腔式虚共焦非稳腔光参量振荡器激光器的光束质量检测

基于内腔式虚共焦非稳腔的理论优化结果和理论远场发散角4.05 mrad,对光参量振荡器（OPO）激光器的光束质量进行了检测实验,输出激光能量可达70.6 mJ/脉冲,远场发散角最小达5 mrad;分析了影响OPO光束质量的可能因素,验证了经过优化设计的OPO激光器能够获得高光束质量的1.57 m激光。     

新型软X-射线透射光栅光谱仪的研制

研制了一种新型的由带前置轮胎镜成像系统、高密度透射光栅和软Ｘ光ＣＣＤ相机等组成的软Ｘ射线光谱仪,摄谱范围为０．５－１．５ｎｍ,光谱分辩为为０．０５ｎｍ。光谱仪没有像散,实现了点对点成像。由于其高效率激光系统产生的等离子体Ｘ光谱,特别适合于超短飞秒强激光脉冲产生的等离子体的研究。     

机载激光雷达沙尘探测能量优化配置的统计研究

依据美国ANSI标准,结合1999~2004年间地基激光雷达探测的合肥地区沙尘暴消光廓线,统计分析了机载大气探测激光雷达探测沙尘时偏振532 nm垂直通道和1064 nm通道所需的最小激光能量,模拟计算了机载大气探测激光雷达探测沙尘暴时在0~12km高度范围内不同激光束发散角和激光脉冲能量比例的532 nm和1064 nm激光脉冲眼睛安全最大阈值能量。以合肥地区沙尘暴消光特性的统计结果、地面人眼安全标准和两个"瓶颈"通道的探测能力为依据提出两种激光脉冲能量配置方案。