光路准直对长基线透射式能见度仪测量的影响

基于长基线透射式能见度仪分析了影响透射仪收发两端探测光路准直的因素。从透射仪的测量原理出发,阐述了探测光路准直通过影响接收端接收光强进而影响透射仪探测精度的机制。仿真研究了透射仪收发两端探测光路准直出现偏差对接收端接收光强的影响。研究结果表明,在一定大气能见度条件下,透射仪的测量误差与接收端接收光强的测量误差成线性关系。透射仪收发两端的对准状态对透射仪接收端接收光强具有重要影响,发射端姿态角每变化0.01,接收端接收光功率变化0.02 mW,发射端姿态角变化会明显降低透射仪接收端接收光强,增大接收端接收光强的测量误差,对能见度的测量精度影响较大。     

透射式能见度仪动态范围扩展方法

提出了一种利用光学衰减片与电机组合,扩展透射式能见度仪动态范围的方法。通过改变加载到LED光源的调制信号的幅度,控制LED光源的发射光强;设计测量系统,选择固定透过率的衰减片;设置合理的系统阈值完成数据测量。对测量数据作拟合分析,结果表明:采用透过率为60%的中性密度衰减片,系统动态范围扩展了0.6倍;透过率为12%时,系统动态范围扩展了6.9倍。同时,通过选择不同透过率的中性密度衰减片,可实现系统动态范围的灵活扩展。     

透射式能见度仪定标光源光谱模拟方法

透射式能见度仪的校准结果无法溯源到世界气象组织对气象光学视程(MOR)的定义,如何实现MOR定义中2700 K白炽灯的光谱模拟已成为透射式能见度仪定标技术亟待解决的关键问题,故对透射式能见度仪定标光源的光谱模拟方法进行了研究。首先,从理论上分析了光谱不匹配对透射式能见度仪定标的影响,建立了满足透射式能见度仪定标精度要求的光源光谱分布判别依据,得出透射式能见度仪定标光源的光谱模拟误差应优于±5.5%的结论。然后,基于一种数字微镜器件(DMD)的透射式能见度仪定标光源系统,在遗传算法基础上,提出了一种基于无余均分机制的光谱模拟方法,以均分800列DMD微镜阵列面为前提,通过不断均匀划分DMD阵列面的方式增加光谱拟合单元数量,实现了2700 K绝对色温的光谱模拟。最后,测试了20,50,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源的光谱分布,并进行了不确定度分析。测试结果表明,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源光谱模拟误差为±5.3%,扩展不确定度为4.04%。     

能见度仪探测光束平行度检测方法

为实现能见度计算中消光系数的正确测量,论述了光源平行度在能见度测量中的重要作用,设计了探测光束发散角检测方法与测量装置。该装置包括定焦成像系统和移动光源的直线系统,利用成像关系与空间几何关系推导了发散角表达式。以紫外LED作为实验光源,设计完成了测量系统成像装置与控制软件,计算得到水平方向与垂直方向发散角,利用所得发散角分析探测光束。实验结果表明,紫外LED光源的光束发散角水平与垂直方向分别为78°和69°,经比较得到未加入平行度的能见度与加入后的比值为051。该方法测得的能见度值更接近于实际值。     

能见度仪探测光束平行度检测方法

为实现能见度计算中消光系数的正确测量,论述了光源平行度在能见度测量中的重要作用,设计了探测光束发散角检测方法与测量装置。该装置包括定焦成像系统和移动光源的直线系统,利用成像关系与空间几何关系推导了发散角表达式。以紫外LED作为实验光源,设计完成了测量系统成像装置与控制软件,计算得到水平方向与垂直方向发散角,利用所得发散角分析探测光束。实验结果表明,紫外LED光源的光束发散角水平与垂直方向分别为7.8和6.9,经比较得到未加入平行度的能见度与加入后的比值为0.51。该方法测得的能见度值更接近于实际值。     

环形孔径高斯光束的远场特性

 讨论了环形孔径高斯光束的远场光斑能量分布,并给出了拟合表达式。首先推导了光束没有抖动时远场光斑的光能分布表达式,然后研究了各种不同中心遮拦和不同光束截断比, 在有以及没有激光束抖动的情况下,对高斯光束的远场环围能量的分布变化的影响。     

高能激光环形光束近场和远场传输特性

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明:随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.     

透射式能见度仪校准装置的研制及测量结果分析

为了解决国内外能见度参数量值无法绝对溯源的问题，利用透射式能见度仪的工作原理、结构特点以及环境条件，提出了溯源至几何量的量值复现方法，设计了1套高透射比量具作为主标准器，实现了对透射式能见度仪的校准，促进了能见度参数量值溯源体系的发展。主标准器遮光体采用精密机械加工工艺，遵循几何量参数测量的绝对溯源法，可大幅减小透射比量值的测量不确定度；主标准器滤光片根据几何量测量和光学透射比参数测量相结合的溯源链，解决了现有技术中高透射比无法复现和准确测量的问题。此外，使用锥形遮光体，可避免引入除旋转因素外的其他不确定度来源，大幅提升了能见度仪分辨率的校准能力。     

探测光波长漂移对能见度测量的影响

为了研究探测光波长的漂移对能见度测量的影响。从Koschmieder经验公式的定义出发,根据实验测得400 nm~1 100 nm波段的气溶胶透过率,分析研究探测光波长漂移对能见度测量结果的影响。结果表明,能见度测量的相对误差与探测光波长和波长的漂移范围以及气溶胶消光特性有关,能见度测量的相对误差随着探测光的波长漂移范围线性增大,随着波长漂移范围的增大,各个波长的能见度测量相对误差线性增大的速率不同,对于相同的波长漂移范围,使用不同的探测光波长产生的能见度测量相对误差不同。对于某一大气环境,使用特定的波长而且中心波长稳定的光作为探测光可以明显减小由于探测光波长漂移引起的能见度测量相对误差。     

小型米散射激光雷达的研制及其探测

介绍了一台自行研制的用于大气气溶胶光学特性和水平能见度测量的小型米散射激光雷达系统,并进行了一系列观测实验和分析.系统选用532nm波长激光作为光源,采用Fernald反演算法对接收到的大气回波信号进行反演得到气溶胶消光系数.通过对西安城区上空的气溶胶光学特性进行连续观测,测得了西安城区不同时刻消光系数的高度分布廓线、以及24小时内大气边界层高度的时空变化特性,并对大气水平能见度进行了连续观测,其结果与当地气象部门提供的水平能见度数据的变化趋势基本一致.观测结果表明,利用该米散射激光雷达可以对大气气溶胶光学特性和水平能见度进行有效测量.     

冷却储存环主环磁铁的准直测量

采用激光跟踪仪及配套带软件Insight对兰州重离子加速器冷却储存环主环磁铁进行了安装和准直。首先建立全局坐标系，用来确定从源体到实验环各子系统的理论原点的位置；而各个子系统又分别以各自的理论原点为基础建立局部坐标系，用来安装定位本系统内的各个元件；对各个子系统中的每一个元件还采用了元件坐标系。准直测量时，先在每块磁铁上焊接8个测量基准；然后对磁铁上的基准进行测量，以确定其在元件坐标系中的位置；再架设激光跟踪仪，测量主环控制网点，恢复主环局部坐标系，根据元件在主环局部坐标系中的位置及理论坐标，计算出相关的变换参数；转入元件坐标系，采用激光跟踪仪及Insight 软件显示实时测量坐标及其与理论值之差，其精度达到0.15 mm。     

适用于高精度激光测距的光学系统设计北大核心CSCD

随着激光雷达技术的发展和测距精度需求的提高,对发射和接收光学系统提出了新的要求,需具有光束可调节、测量光斑小、回波效率高等特性。设计一种工作于1550 nm光通信波段的收发一体光学系统,发射与接收模块共用部分光路,以减小接收视野盲区,同时有利于结构小型化。为解决不同测量距离、不同表面倾角造成的回波能量差异问题,将光学系统的扩束组件设计成放大倍率为2×~3.5×的连续可调结构;使用两组双胶合透镜进行色差校正,以降低光谱宽度对系统传播距离的影响。经设计优化,系统准直后的激光发散角小于0.3 mrad,出射光斑直径在6.26 mm~10.20 mm连续可调,对于50 m内的测量目标,照射光斑直径均小于20 mm,且在不同变焦位置发散角和光斑直径均满足设计要求。     

激光惯性约束聚变驱动器终端光学系统中束匀滑器件前置的条件研究

对激光惯性约束聚变（ICF）驱动器终端光学系统中连续相位板（CPP）的位置优化进行了研究.根据高强度激光非线性及微扰传输理论计算了CPP前置时激光通过频率转换系统以后的近远场光束特性和系统的三倍频转换效率.研究发现,前置于基频光路的CPP对三倍频转换效率和出射光束特性均有影响,但只要远场圆形焦斑直径小于05 mm,三倍频转换效率的下降与出射光束通量对比度的上升均在容许范围之内,同时远场焦斑形态和能量集中度也符合设计要求.对于实现远场小焦斑匀滑的CPP前置于ICF的基频光路中进行光束匀滑和整形,不会对IC 关键词： 连续相位板 束匀滑元件 惯性约束聚变 光束通量对比度     

大型透明件透光率和雾度测量装置的研制

为现场测量大型透明件的透光率和雾度,提出了基于双积分球结构的测量和系统参数标定方案,并设计研制了相应的透光率和雾度测量装置。该装置通过六维机械调整装置完成光路调整,基于LED光源的照明准直系统产生调制平行光,最后采用双积分球结构的探测接收装置并结合锁相放大技术,实现光电信号的解调。测试结果表明,该装置对透光率测量的绝对误差不超过1%,对雾度测量的绝对误差不超过0.3%,符合工程应用对系统测量精度提出的要求。另一方面,装置具有很好的重复性,其对透光率和雾度测量的相对标准差分别为0.06 %和0.05%。     

基于白光LED和LD的准直测量比较

为探究白光LED用于准直测量的可行性与优劣势,将其与LD的准直光束对比,进行功率和定位的长期稳定性以及不同空气扰动下的稳定性实验与分析.实验结果表明:在功率稳定性方面,LD开机预热后功率才能趋于稳定,长时间工作会因激光器发热而受到影响,而白光LED无需预热便能长时间保持稳定;在定位稳定性方面,白光LED产热少,由其作为热源引起系统结构的漂移明显小于LD;根据以空气中存在均匀温度梯度场为模型的理论分析和同一干扰下白光中不同波长成分的漂移量计算结果,发现在同样干扰下,波长越长,光束受影响程度越小,白光所受影响略大于LD,为不同波长不同强度光束的加权平均效果.最后,通过基准验证实验,比较两种准直光束对同一直线导轨直线度误差的测量结果,发现白光LED准直光束在传播过程中强度分布保持稳定.研究表明白光LED成本低、功率稳、发热少,适用于准直测量.     

基于光源近场模型的LED光学扩展量测量方法

基于精确的LED光源近场模型,提出了一种LED光学扩展量测量方法.通过追迹LED近场光源模型中的光线数据,可获得LED光功率关于光学扩展量的关系曲线,直观反映出LED光源的光学扩展量特性和光能利用率等信息.以紫外曝光系统中的UV-LED阵列面光源为例,对三款不同型号的UV-LED进行了实际测量.通过测量得到的光学扩展量和光能利用率曲线,可以对UV-LED的光束质量作出判断,并为阵列面光源的优化设计提供帮助.     

Design of three-dimensional imaging lidar optical system for large field of view scanning

Three-dimensional (3D) lidar has been widely used in various fields. The MEMS scanning system is one of its most important components, while the limitation of scanning angle is the main obstacle to improve the demerit for its application in various fields. In this paper, a folded large field of view scanning optical system is proposed. The structure and parameters of the system are determined by theoretical derivation of ray tracing. The optical design software Zemax is used to design the system. After optimization, the final structure performs well in collimation and beam expansion. The results show that the scan angle can be expanded from ±5° to ±26.5°, and finally the parallel light scanning is realized. The spot diagram at a distance of 100 mm from the exit surface shows that the maximum radius of the spot is 0.506 mm with a uniformly distributed spot. The maximum radius of the spot at 100 m is 19 cm, and the diffusion angle is less than 2 mrad. The energy concentration in the spot range is greater than 90% with a high system energy concentration, and the parallelism is good. This design overcomes the shortcoming of the small mechanical scanning angle of the MEMS lidar, and has good performance in collimation and beam expansion. It provides a design method for large-scale application of MEMS lidar.     

Pump power dependence of the spatial gating properties of femtosecond optical Kerr effect measurements

The pump power dependence of the spatial gating properties of femtosecond optical Kerr gate (OKG) was investigated using coaxial two-color optical Kerr measurements in CS₂. As the pump power increased, the spatial pattern of the optical Kerr signals changed from a Gaussian spot to a ring form, and then a spot surrounded by a concentric ring, successively. By comparing the experimental data with the calculation results and measuring the pump power dependence of the OKG signal intensity, we demonstrated that the spatial variation of OKG transmittance could be attributed to the non-uniform spatially distributed phase change of the probe beam, due to the transient birefringence effect induced by pump beam with transverse mode of a Gaussian distribution.     

基于单发光区芯片的大功率光纤耦合激光器的输出远场特征分析

为研究光纤耦合激光器的输出远场特征,基于ZEMAX光学设计软件,模拟了基于单发光区激光器芯片的多种光纤耦合结构,分析了不同耦合结构的输出远场特征。模拟结果表明:单管耦合输出远场分布通常为中间亮、边缘暗的圆形光斑。当准直后的光束快慢轴光束尺寸基本一致时,远场输出光斑均匀性会得到极大改善;当存在光纤轴心角向误差(大于1°)时,远场输出光斑的均匀性会明显降低。多单管耦合时,单管之间的台阶高度若大于准直后的快轴光斑尺寸,则对应的远场输出为有暗区的同心圆环,单管的数量对应圆环的数量。为了提高输出远场分布的均匀度,应严格控制合束单管之间的台阶高度。