CCD中激光光斑的全饱和单侧拖尾现象

利用532 nm连续激光辐照以东芝TCD1200D型线阵CCD为图像传感器的扫描相机进行实验,在相机输出视频中发现了光斑拖尾的现象,拖尾有限长、全饱和并且仅在光斑一侧。分析排除了光分布造成拖尾的可能原因。其单侧、有限长的特点不符合像素溢出或漏光造成的拖尾,而与转移损失造成的拖尾一致。但其全饱和的特点,不符合目前转移损失率的常数模型。针对当前体沟道CCD的内部结构和工作原理,提出了一种转移损失率随电荷量变化的模型,对新发现的全饱和单侧拖尾进行了解释。     

行间转移型CCD激光干扰效应阈值估算方法

电荷耦合器件(CCD)图像传感应用中,通过非实测手段获取器件的干扰效应阈值非常重要,有时甚至是唯一手段。分析了行间转移型CCD单像素饱和与串扰等典型激光干扰效应的影响因素,研究了垂直拖尾、光晕和串扰3种效应的物理本质间的内在联系与区别,初步证实垂直拖尾系数对串扰效应而言为非敏感参数。提出了基于饱和信号电荷量、像元尺寸、量子效率以及光晕抑制率等器件参数,从现有的效应数据预估相似器件单像素饱和阈值、串扰线饱和阈值的外推方法。对柯达面阵CCD器件的饱和阈值测量与干扰效应实验显示,预估结果与实验值之间的偏差量分别为3%和20%,属于可以接受的范围,表明预估方法切实可行。     

多角度偏振成像仪遥感图像太阳耀斑区的拖尾校正方法

为了有效校正星载偏振相机成像时太阳耀斑区产生的拖尾,以高分五号卫星多角度偏振成像仪为例,结合多角度偏振成像仪在轨成像特点,理论分析了图像获取过程中拖尾产生的机理.建立了光斑区不含饱和像元情况下能够有效对漏光拖尾进行校正的矩阵法与暗行法校正模型,以及光斑区全像元饱和情况下结合矩阵法与暗行法估计光斑区饱和像元强度的遗留拖尾校正模型,该算法充分考虑了强光饱和条件下太阳耀斑区产生的漏光拖尾与遗留拖尾.利用实验室积分球光源成像光斑模拟在轨运行时遥感图像太阳耀斑开展拖尾校正方法可行性验证实验.实验结果表明,该方法不仅能有效去除图像中的拖尾噪声,提高图像质量,而且能够对光斑饱和像元强度进行有效估计.最后,分析多角度偏振成像仪在轨成像图中耀斑区拖尾对其辐亮度测量精度的影响,分析结果表明,拖尾校正前后,灰度方差由202.69×10^6下降至2.32×10^6,平均梯度由5.08×10^-1下降至2.26×10^-1.     

适用于推扫式成像光谱仪的CCD拖尾扣除方法

拖尾(smear)现象是面阵CCD器件的固有问题。在推扫式成像光谱仪中,拖尾对成像的作用形式较为特殊,传统的扣除方案已不再适用,急需新的适合这一应用场合的方法。通过建立光谱仪中拖尾现象的数学模型,分析并仿真了常规拖尾扣除方法的失真问题,提出了适合推扫式光谱仪器的新方法。新方法使用已知图像信息估计景物的光谱分布,以此计算光学暗行通道所代表的拖尾信号在每个应用通道中的贡献,进而实现拖尾现象的扣除。遥感图像处理结果的较为理想的LSF表明,新方法效果良好,适用于推扫式成像光谱仪中CCD拖尾现象的扣除。     

红外激光对可见光CCD成像系统的干扰

采用连续波红外激光对可见光面阵CCD成像系统进行了干扰实验,观察到饱和串扰、全屏饱和等干扰现象,并测到串扰阈值小于2.0×102W/cm2,全屏饱和阈值为1.2×104W/cm2。通过分析CCD输出电压、视频信号,提出基于有效干扰面积的干扰效果评估方法,并利用该方法对干扰面积与激光功率密度、辐照时间之间的关系进行了半定量分析。结果显示:激光功率密度对干扰效果的影响较大,而辐照时间在0.5~2.0 s之间时,辐照时间对CCD干扰效果的影响不明显。     

532 nm脉冲激光辐照CCD实验研究

 采用532 nm,10 ns的脉冲激光对面阵CCD进行辐照实验,对每一阶段的实验现象和电路层面的破坏机理进行了深入分析,根据实验现象,把脉冲激光对CCD的硬破坏分为3个阶段：第1阶段在低能量密度激光辐照下,被破坏的CCD局部出现无法恢复的白色盲点,但其它部分仍可正常成像;第2阶段CCD探测器受到激光辐照后,在光斑处的时钟线方向出现白色竖直亮线,亮线处无法正常成像且激光辐照撤去后无法恢复;第3阶段受高能量密度激光辐照后,CCD完全失效,无法恢复成像。针对CCD的饱和及恢复阶段,利用Matlab编码对分辨力靶板的成像数据进行处理,分析了激光辐照CCD对饱和像元数和对比度的影响。结果表明：当CCD受到激光辐照时,饱和像元数迅速增多,图像对比度迅速下降为零,激光脉冲消失后,整个CCD成像亮度下降,饱和像元数迅速下降为零,经过一段时间后CCD又恢复至线性工作状态,激光的能量密度越高,CCD恢复所需的时间就越长。研究还发现：当恢复时间超过0.6 s,CCD出现不可恢复的白色条带,严重影响成像质量。     

激光探测过程中CCD的串音饱和现象分析

为了验证激光辐照CCD时产生的串音饱和现象,从理论上给出了单束激光辐照下CCD发生串音饱和时的物理模型,并在此基础上给出了两光束入射情况下CCD发生串音饱和时的物理模型。通过定量计算得到了激光入射能量密度与CCD饱和像素数量的关系曲线和具体数据,并通过实验进行了验证。理论和实验结果表明,入射激光功率密度与CCD饱和区域面积之间呈非线性关系。当两束光同时进入CCD时,其中一束光的功率的增加会对另一束光的探测起到明显的干扰作用。     

CCD强光串扰效应的串扰线缺口现象及其机制

在激光辐照行间转移CCD相机的实验中发现了关于CCD串扰效应的一个新现象,即在串扰线上出现缺口,该缺口紧邻主光斑上侧且随光强增大而减小。基于行间转移面阵CCD的构造和工作过程,利用CCD串扰效应的一种新机制对现象作出了合理的解释。串扰线的形成依赖于在垂直转移动作过程中CCD信号积分势阱中的载流子向垂直转移CCD寄存器中的溢出。串扰线上缺口的出现则是由于CCD的信号积分势阱被读出转移动作清空后再次填满需要经过一定时间,该时间内无信号电荷溢出至转移沟道;读出转移清空存储势阱的时刻是构成主光斑的主体信号电荷按正常时序进入垂直转移CCD寄存器的时刻,故缺口紧邻主光斑的上侧;光强越大,光电子再次填满存储势阱乃至溢出形成串扰线所需要的时间越短,则缺口越小。     

单CCD彩色相机激光干扰模型及外场干扰实验

开展了多波段激光(750~970 nm)对彩色CCD成像系统的外场干扰实验,测得了不同辐照条件下对外场1.3 km处彩色CCD成像系统的干扰效果;建立了彩色CCD相机的激光干扰模型,对实验结果进行了理论验证与分析。理论与实验结果表明:强激光对彩色CCD成像系统的干扰效果明显,CCD靶面出现了明显的光饱和和串扰现象,光饱和区域的形成是由激光束进入光学系统后发生衍射效应造成的;到靶激光功率密度越强,CCD靶面光饱和面积越大,激光干扰效果越好;单波段750 nm激光作用下,到靶功率密度为4.2 kW/cm²,CCD靶面的光饱和面积为0.88 mm×0.97 mm;多波段激光(750~970 nm)作用下,到靶功率密度为20.7 kW/cm²,CCD靶面发生全靶面饱和现象;仿真结果与实验结果基本一致,证明了理论模型的正确性。对远场干扰能力计算结果表明:随着干扰距离的增加,到靶功率密度减小,激光干扰效果变差。     

基于等离子体粒子模拟的喷气Z箍缩过程物理研究

给出了喷气Z箍缩动力学过程在二维柱坐标系下的等离子体粒子模拟物理模型,编写了相应的程序.对低电流驱动下的稀薄喷气Z箍缩动力学过程进行了验证性的等离子体粒子模拟,得到了许多微观的Z箍缩物理信息,如负载中的电流(密度)、电磁场、粒子位置和密度的时空演化,以及总的z箍缩拖尾质量和拖尾电流等信息.发现在Z箍缩过程中,模拟得到的等离子体电流随时间的变化反映出了等离子体箍缩到心和反弹的过程特征,磁场随径向的变化与长直导线电流给出的磁场很接近;电子所受到的电场力和磁场力(洛伦兹力)是相当的,而离子所受到的力主要是电场力;电子首先在z方向加速,然后在自身运动产生电流的磁场的作用下向轴心箍缩,而离子是在电子和离子电荷分离所产生的电场力的作用下向轴心运动;在压缩到轴心附近时,电子首先因静电排斥而飞散,而离子则在惯性的作用下继续向轴心箍缩,而后滞止飞散.Z箍缩等离子体的拖尾质量在20%左右,拖尾电流最大时在7%左右.     

500 fs超短脉冲激光对CCD探测器的破坏效应

 采用脉宽500 fs,脉冲能量250 μJ的超短脉冲激光辐照线阵CCD探测器,观察到了CCD从线性响应到像元饱和、饱和串音直至硬损伤的整个过程,并着重对两种辐照能量密度下的硬损伤机理进行了理论分析。结果表明：激光能量密度为0.45 μJ/cm²时,达到像元饱和;能量密度为0.14 J/cm²时,辐照6个脉冲后实现了CCD器件的硬损伤,硬损伤源于晶格被加热并汽化形成等离子体;能量密度为1.41 J/cm²时,单个脉冲就使CCD器件的输出波形无法辨认,2个脉冲后CCD器件没有任何信号输出,硬破坏源于电荷分离形成的电场库仑力。     

用偏压限制器控制KT－5C托卡马克等离子体边缘电场的实验研究

在托卡马克ＫＴ－５Ｃ上，我们首次采用可灵活组合的多块限制器进行了施加偏压以控制等离子体边缘电场的实验，结果表明，在本装置上限制器加正偏压优于加负偏压，正偏压改变等离子体边缘电场效果更明显。偏压限制器收集面积、纵场和偏置电压的大小对偏压效果的影响都是敏感的。改变限制器收集面积和偏压导致的边缘电场的变化最终将趋于饱和，另外发现，偏压限制器与等离子体柱的相对位置对等离子体边缘电场的影响也是重要的。     

光路交叠对强光传输的影响

实验中观察到高能激光束通过光程总长、气体环境等条件相同,但局部布置不同的光路后,其接收光斑峰值功率密度、波前离焦和高阶像差等光束参量有差异.对此问题,选择Z型和X型两种总长度相等的光路在相同气体环境下进行了数值研究.结果表明,产生上述差异的主要原因是由于两种光路中光束交叠区域大小和形状不同引起的气体热效应产生的附加相位有所不同.而且对不同特性的光束,该差异也不同.对高斯光束,两种光路中气体热效应对光束影响的差异较小;对平顶高斯空心光束,两种光路中气体热效应对光束影响的差异较明显.因此,为抑制气体热效应对光束的影响,在考虑其它因素的同时,应尽可能减小光路中的光束交叠区域.     

Generation of Uniform Plasmas for Beat Wave Experiments

The laser plasma "beat wave" mechanism for the generation of ultrahigh electric fields requires plasmas of several meters length with density uniformity of about 1 percent. Multiphoton ionization of molecular hydrogen gas at a pressure of a few torr provides a scalable mechanism for generating these plasmas using the same laser beams that drive the beat wave. We describe measurements of electron density, temperature, and uniformity of plasmas generated by a frequency doubled Neodymium glass laser, at an irradiance of about 1014 W · cm-2. The plasma density corresponds to 100-percent ionization and is measured to be uniform to within the measurement errors over a length of 8 mm.     

LD端面泵浦Cr~4∶YAG被动调Q激光器输出特性研究

对激光二极管端面泵浦Cr4+∶YAG被动调Q Nd∶YAG激光器输出特性进行了实验研究.实验研究发现,激光器输出功率及脉冲重复频率随谐振腔长度增大而增大.为解释这一实验现象,测量了泵浦光斑在激光晶体内尺寸,同时计算了激光晶体及Cr4+∶YAG晶体内的基模激光光斑半径随谐振腔长度变化.分析结果表明:激光晶体内泵浦光斑尺寸远小于激光晶体内基模光斑半径,腔模间交叠效率较低;当腔长增加时,激光晶体内的基模激光光斑减小,腔模间交叠效率增加,从而导致输出功率及脉冲重复频率随腔长增加而增加;另外,Cr4+∶YAG晶体内光斑半径也随谐振腔长度减小,引起Cr4+∶YAG晶体漂白时间缩短,导致脉冲重复频率随腔长增加而增加.     

Effect of steady-state conditions on self-pulsing characteristics of Yb-doped cw fiber lasers

Fiber laser resonator configurations have been analyzed theoretically on the basis of steady-state rate equations to optimize the laser conversion efficiency. Evolution of the pump- and signal powers and the saturated gain coefficient along the length of the laser medium has been simulated for high- and low-finesse resonators in forward- and backward pumping schemes. The corresponding fiber laser configurations have been setup to verify the results of simulation. Backward pumping configuration in an Yb-doped fiber laser has been found to be the most efficient, and in this configuration a maximum cw output power of 10.75 W in single transverse mode with an optical-to-optical conversion efficiency of 62.5% has been achieved. The laser output spectrum was peaked at 1093 nm with full-width at half-maximum (FWHM) line-width of about 9 nm. In the low-finesse resonator configuration, it has been found that experimental observations differ from theoretical simulation results. In this case, output power from both ends ceases to increase linearly beyond 1.8 W, and starts fluctuating due to the onset of strong random self-pulsing phenomenon. Our investigation shows that a non-uniform steady-state gain along the fiber length facilitates the self-pulsing process.     

电流变液中的双折射现象观察

本文研究了电流变液(ER流体)可调节的双折射现象,激光束垂直于电场方向,利用He-Ne激光器对SiO₂、季戊四醇和硅油组成的ER流体进行测量.发现当一对偏振片互相正交,不加电场时,没有光线射出;当施加电场时,就有光线射出,透射光强度随电场增大.对于相同材料的ER流体,低浓度的ER流体双折射现象更加明显,电流变液双折射现象起因于颗粒在电场作用下排列成链状或柱状结构.     

Laser ionization and time-resolved ion collection in cesium vapor

Cesium atoms are ionized by resonant two-photon pulsed laser absorption. The ion collection is investigated when the application of the collecting electric field is time delayed with respect to the laser pulse. It is shown that the time evolution of the atomic ion density is governed by a conversion of atomic ions to molecular ones. Owing to the large molecular recombination coefficient the ion density decreases exponentially. The conversion rate constants for collisions with cesium or argon atoms have been determined.