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。     

可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用

可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种应用非常广泛的吸收光谱测量技术.利用宽带可调谐窄线宽光源进行吸收光谱测量的超光谱吸收技术可以在单次扫描中获取一段连续光谱的所有吸收数据,可大大提高可调谐二极管激光吸收光谱技术的数据信息容量和光谱诊断能力.分析了在2μm波段对水进行超光谱吸收测量时对激光器输出线宽的具体要求.利用掺铥光纤在2μm波段较宽的发射谱,采用可调谐法布里-珀罗滤波器和光纤可饱和吸收体相结合的技术方案搭建了一台宽带调谐窄线宽的2μm光纤激光器.获得了1840—1900 nm约60 nm范围的调谐光谱输出,激光器静态线宽仅为0.05 nm.利用该光源对空气中水在2μm波段的吸收光谱数据进行了超光谱吸收测量,在1856—1886 nm约30 nm的光谱范围内分辨了35条水的吸收谱线.通过对不同线宽条件下1870—1880 nm范围内的理论吸收光谱数据进行对比发现,测量数据无法有效分辨分别位于1873 nm和1877 nm处与强吸收线相邻的两条吸收谱线,且测量结果与激光线宽在0.08 nm条件下的HITRAN2012光谱数据库最为接近.这表明,在动态扫描过程中激光器的线宽得到了展宽.     

935nm差分吸收激光雷达系统及对流边界层水汽廓线探测

研制了一套935nm水汽探测差分吸收激光雷达(DIAL)系统。种子注入的环形腔光参量振荡器,在窄线宽脉冲激光的抽运下,通过Ramp-Hold-Fire方法锁定光参量振荡器谐振腔,产生脉冲能量为45mJ、波长为935nm、重复频率为10Hz、脉冲持续时间为6ns的窄线宽、波长稳定的脉冲激光。接收望远镜直径为305 mm,使用雪崩光电二极管作为探测器,以935.776nm作为探测光波长(λon)、935.860nm作为参考光波长(λoff)进行了地基垂直差分探测实验,获得了上海地区对流边界层水汽浓度廓线。数据时间分辨率为60s,距离分辨率为30 m,在高度600m至对流边界层顶的范围内,水汽浓度昼夜有效测量误差小于0.1g/m~3,将DIAL数据与附近气象观测站无线电探空仪数据进行对比,结果证实了DIAL数据的有效性。     

基于染料激光器的差分吸收激光雷达探测大气NO_2浓度

研制了一台利用大气后向散射信号探测NO_2浓度廓线的差分吸收激光雷达(DIAL)。用两台Nd∶YAG激光器分别抽运两台染料激光器,获得测量大气NO_2浓度所需的波长分别为λ_(on)和λ_(off)的两束激光,通过数据反演获得NO_2浓度的水平和垂直分布。实验结果表明,淮南大气科学研究院内大气垂直高度0.4~3.0km范围内的NO_2体积分数在0~2.5×10~(-8)范围内波动,水平距离0.4~3.0km范围内的NO_2体积分数在0~3.0×10~(-8)范围内波动。     

基于宽带可调谐、窄线宽掺铥光纤激光器的2μm波段水的超光谱吸收测量

1.8—2.0μm波段包含大量水的吸收谱线,且吸收强度高于传统的1.3—1.5μm波段,在水的吸收光谱测量中具有很大的应用潜力.超光谱吸收测量技术可以利用宽带范围内的大量吸收谱线来实现物理参数的反演,与传统的单/双谱线的可调谐二极管吸收光谱技术相比具有更好的稳定性、准确性和更宽的使用范围.宽带调谐的窄线宽激光光源是实现超光谱吸收测量的关键器件.利用可调谐法布里-珀罗(FP)腔和光纤可饱和吸收体,搭建了宽带调谐的窄线宽2μm光纤激光器.利用掺铥光纤的再吸收特性,通过合理设计增益光纤长度,得到了在1910—1970 nm约60 nm的光谱范围内连续可调的激光输出,且激光器静态线宽小于0.1 nm,能够满足水的超光谱吸收测量实验的要求.利用该激光器分别对空气和酒精火焰中水在2μm波段的宽带吸收光谱进行了测量.在常温空气中,该光源可以在1910—1965 nm的光谱范围内有效分辨40余条水的吸收谱线;在酒精火焰中,该光源可以在1950—1970 nm的光谱范围内有效分辨近50条水的吸收谱线.通过与HITRAN2016数据库的比对反演得到激光器在动态扫描过程中的线宽约为0.06nm,与静态测试结...     

可调谐半导体激光吸收光谱技术检测痕量乙烯气体的系统研制

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)利用激光器的窄线宽和波长调谐特性,使其扫描被测气体的单个吸收峰,实现痕量气体的高分辨率、高灵敏度快速检测。通过分析近红外波段的乙烯吸收谱线特性,选取1 626.8 nm附近的吸收峰作为检测谱线,研制了基于white池结构的TDLAS检测系统,结合波长调制和二次谐波检测,对体积分数为20～1 200 ppmv的乙烯气体进行了测量,推算该系统的检测下限约为10 ppmv。     

基于短光纤延时自外差的可见光单频激光线宽测量方法

提出一种基于短光纤延时自外差法的可见光波段单频激光线宽测量方法,利用短延时光纤减小可见光在石英光纤中的损耗并降低系统低频噪声,通过频谱信号平滑方法极大地提高频谱数据的信噪比,通过非线性最小二乘法拟合还原原始信号频谱,并最终计算出可见光波段激光线宽。构建可见光波段的延时自外差测量系统,搭建127 m和500 m延时光纤的可见光波段延时自外差测量装置,测得635 nm单频外腔半导体激光器线宽为29.4 kHz,与两个相同型号激光器互拍的测量结果接近,证明了基于短光纤延时自外差方法测量可见光单频激光器线宽的可行性。     

基于掺铥光纤激光器的内腔气体传感系统研究

为拓展可检测范围,利用掺铥光纤激光器产生的2μm波段激光进行呼吸气中水蒸气的内腔气体传感研究。首先,对直接吸收式气体传感技术进行了理论分析。其次,研究了1 570 nm激光泵浦下的掺铥光纤特性,其自发辐射谱主要分布在1.85～2.05μm波段;搭建了全光纤掺铥光纤环形激光器,并采用可调谐滤波器实现了1 927.5～1 985 nm范围内波长输出,激光线宽为0.05 nm,表现出单纵模窄线宽稳定输出的特点。最后,引入波长扫描技术,实现了对呼吸气中水蒸气在1 928～1 938 nm范围内光谱扫描,分辨了8条吸收谱线,与基于HITRAN光谱数据库的仿真光谱一致,波长定位的绝对误差低于0.03 nm。结果表明该内腔气体传感系统适用于2μm波段气体传感检测。     

基于Er∶YAG单频可调谐激光器的甲烷吸收光谱测量

采用1.6μm激光差分吸收是探测甲烷(CH4)气体浓度的一种重要手段。通过对CH4气体吸收光谱的理论分析及计算,并基于Er∶YAG单频可调谐激光器,在实验室测量了CH4气体对1.645μm激光的吸收谱线。实验结果对研制用于测量CH4气体浓度的差分吸收激光雷达光源有重要意义。     

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%。     

碘稳频中红外差频激光光谱技术

为实现中红外波段的高精度线型研究,建立了一套在2.5～5um波段连续可调谐的中红外差频激光光谱测量系统.基于宽带连续可调谐钛宝石激光器(700 ～900 nm)和单频连续Nd:YAG激光器(1064 nm),利用碘多普勒展宽吸收和频率调制技术,对Nd:YAG激光的频率进行反馈控制,使1064 nm的Nd:YAG激光的波长稳定性好于1X10-5 cm-1由此差频输出的波长稳定性达到1×10-1cm-1水平,适合高精度的线形研究.并通过对CH4分子在2927 cm-1附近吸收谱线的测量,表明该系统可以结合频率调制方法,进行高灵敏的光谱检测.     

温度压强对CO_2吸收光谱的影响

为了提高差分吸收CO2探测激光雷达的反演精度,本文采用可调谐半导体激光吸收光谱技术,利用双光路差分实验系统,在不同温度和压强下精确探测了CO2吸收谱线(1.572μm附近)的精细结构,分析了吸收光谱谱型的变化差异,获得了5个温度(287K,297K,311K,315K,324K)的压力增宽系数和吸收截面,推算出了CO2的温度相关指数.这些参数是对现有数据库的补充和完善,确保差分吸收CO2探测激光雷达的精确反演,从而提高其探测能力.     

近距离激光外差探测光学极限位移分辨率

通过统计理论和维纳-辛钦定理推导出激光外差探测系统光电流的功率谱函数,分析了光电流谱线分布与激光光源线宽、中频信号频率以及信号光相对本振光传输延迟时间的关系,修正了相关文献中光电流功率谱的理论公式.根据信号与噪声理论建立了激光线宽引起的相位噪声的一维概率分布模型,并据此得到了基于激光波长、探测距离以及激光线宽的极限位移分辨率的数学模型.对光电流的功率谱和外差光学极限位移分辨率进行了相关的数值仿真,结果表明延迟时间与相干时间的关系决定光电流谱线分布的情况.当激光波长为532 nm,激光线宽在1 kHz,探测距离为100 m时,光学极限位移分辨率为0.266 nm,相关文献中的实验数据与理论推导结果相符合.     

1.572μm附近CO_2吸收光谱的测量

应用自行构建的恒温差分吸收光谱探测系统,在230—320 K的温度范围内,精确探测1.572μm附近CO_2吸收谱线的变化,获得了不同温度和压强下CO_2气体的吸收截面、自增宽系数、空气增宽系数,这些参数补充和完善了现有的数据库.定量分析了温度、压强对谱线的影响,建立了光学厚度和吸收截面的数值计算模型,并已经用于我国的CO_2激光雷达,为其高精度数据反演奠定了技术基础.这些工作能够提高工作在该波段的差分吸收CO_2探测激光雷达的反演精度.     

高温环境下NO气体紫外吸收截面的温变特性研究

为了研究NO气体在不同烟气排放温度下的紫外吸收特性变化规律,测量了温度在285～410 K范围内NO气体200～230 nm紫外吸收截面随温度变化规律。采用分辨率为0.2 nm三光栅单色仪、氘灯光源和特制闭式气样室。将NO气体吸收截面分解为离散吸收和连续吸收两部分。结果表明,离散吸收具有等波长间隔分布特征,间隔约为10.5 nm。随温度升高,离散吸收峰值呈现出先抑后扬的非单调变化趋势,最大相对变化率约为19.3%,峰值位置并未出现波长红移或蓝移,谱线半宽也未出现明显的变化;连续吸收截面整体上随温度升高单调增大,且这种增强趋势随波长红移逐渐减弱。利用吸收法在线测量NO浓度时不应假定NO气体吸收截面为常数,应根据对烟气温度对NO吸收截面进行实时补偿计算,能够有效提高NO气体浓度在线测量的精度。     

DFB半导体激光器调谐动态波长特性研究

为了测量半导体激光器在电流调谐下的动态波长,提出了基于光纤延时自外差法的测量方案,阐述了测量原理,研究了拍频与动态波长的递推关系。应用该实验系统测量了分布反馈式半导体激光器调谐的动态波长特性,与由光谱仪测量的稳态波长特性比较。结果表明,动态波长与稳态波长随电流变化特性有着类似的非线性规律,在20~100 mA调谐范围内二者差异小于0.002 nm。此外,通过气体CO₂的两条吸收谱线与HITRAN谱库中标准吸收线位置比对,辨识出半导体激光器调谐的动态波长,该辨识出的动态波长值与由延时自外差法推算出的动态波长值比较,二者误差为1 pm,进而验证了该测量系统的可靠性。     

双光子吸收光谱

本文报道以皮秒脉冲激光抽运的光参量放大器为宽带可调谐激发光源，直接测量非线性光学材料的双光子吸收谱的方法。光参量放大器不但可调谐谱带很宽，而且可用一对尼科尔棱镜很容易地实现全波段功率足够强和相等，使此方法的测量结果准确可靠。用此方法研究了一个新有机化合物的双光子吸收谱。实验结果表明所测的新有机化合物在很宽的波长范围内呈现出很大的双光子吸收截面。     

非相干光宽带腔增强吸收光谱技术应用于SO_2弱吸收的测量

非相干光宽带腔增强吸收光谱作为高灵敏检测技术,已成功应用于多种大气痕量气体浓度的测量。根据腔增强吸收光谱技术测量原理可知,若已知测量气体准确浓度,镜片反射率随波长的变化曲线、有效吸收长度、光学腔内有无测量气体吸收前后的光辐射变化,可测量出待测气体的吸收截面。SO_2由于a~3 B_1—X~1 A_1自旋禁阻跃迁,在345~420nm波段吸收截面较低(~10~(-22) cm2/molecule),其测量有一定难度,而准确的弱吸收截面对于卫星反演大气痕量气体浓度以及大气研究等方面均有重要意义。采用365nm LED光源的宽带腔增强吸收光谱实验装置测量357~385nm波段范围SO_2的弱吸收,获得该波段SO_2弱吸收截面,并与已公开发表的SO_2吸收截面进行对比,相关系数r为0.997 3,验证了非相干光宽带腔增强吸收光谱技术准确测量气体弱吸收截面的适用性。     

1570 nm和1548 nm双波长单频掺饵光纤激光器

针对高精度相干激光探测需求,提出了一种基于环形腔结构的双波长单频输出掺饵光纤激光器。该激光器使用未泵浦的掺饵光纤作为可饱和吸收体,结合标准具结构的光纤法布里-珀罗滤波器和光纤布拉格光栅,实现1 570 nm和1 548 nm附近的双波长单频激光输出,其中心波长分别为1 569.97 nm和1 548.06 nm,光信噪比分别达到58 dB和55 dB。通过在100 min内对输出激光光谱和功率的连续数据采集,得到输出功率波动分别为0.01 dB和0.02 dB,且光谱仪上始终未见输出激光光谱中心波长变化,表明输出激光具有良好的工作稳定性。采用延时非零自外差法测量了输出激光的线宽,测得1 570 nm处激光线宽约为230.2 Hz,1 548 nm处线宽约为223.6 Hz。     

光参量振荡伴生拉曼激光

利用调QNd∶YAG倍频激光泵浦KTP非线性晶体为介质的参量振荡器,产生了608.3nm~903.1nm宽带参量调谐激光,线宽1.4nm,光-光转换效率30%。当泵浦光增强到12mJ时,在参量激光谱线的近傍,长波方向出现了一条新谱线,与参量调谐激光谱线同步移动,谱线间隔随参量激光波长的增加而增加,两条谱线波数(能量)差(720cm-1)是一个定值,这是参量激光激发出斯托克斯拉曼激光典型特征。