面向遥感应用的飞秒激光脉冲超长距离传输的研究进展

强飞秒激光在空气中传输时,其传输距离会远远超越衍射极限,产生高强度光丝和低密度等离子体,并伴随超连续白光的辐射,这为远距离遥感探测大气污染物提供了一种有效的技术途径。面向天基遥感应用,概述了强飞秒激光长距离传输的研究进展,包括光丝传输的基本研究方法、产生长距离光丝的方法、调控光丝特性的手段以及飞秒激光光丝超长距离的传输,并对光丝在大气遥感应用中的优越特性和需要解决的基础科学问题进行了总结。     

飞秒超强激光在空气中光丝现象的研究

综述了飞秒超强激光脉冲在大气中传输机理的研究进展和现状 ,阐述了光丝现象的形成原理及其传输机制 ,并对其实验方法及其在实际中的应用做了详细分析 ,进而提出了光丝理论中尚未解决的问题及未来研究的方向     

飞秒激光成丝在火焰中诱导的荧光辐射及应用

飞秒激光脉冲在传输过程中, 克尔自聚焦和等离子体散焦相互作用形成了长距离的自导光通道, 该过程称为飞秒激光成丝。飞秒激光成丝在火焰中诱导的荧光辐射为燃烧诊断提供了新的可能性, 为理解燃烧过程、提高燃烧效率和减少污染物的产生提供了有用的信息。针对飞秒激光成丝诱导的荧光辐射在燃烧诊断中的应用, 介绍了飞秒激光在火焰中的传输特性以及成丝动力学过程, 陈述了飞秒激光成丝诱导非线性光谱的机理及其在高温燃烧场诊断应用中的研究现状和进展, 探讨了当前飞秒激光成丝在该领域所面临的挑战和应用前景。     

AM—VSB视频信号和MQAM信号混合激光传输系统的性能特征及其应用（下）

3 AM—VSB/QAM视频激光干线传输系统 为了得到一个可以接受的AM CNR,需要将基于1310nm DM—DFB激光发射机的视频激光干线传输系统中的光功率损耗预算限制在10dB之内,这个限制就决定了光纤链路的长度以及光分配器的数量。在第1节中我们曾经提出,对于许多诸如长距离超干线传输和其它宽带传输等的应用,需要很大的光功率预算,这要比DM—DFB激光发射机所     

飞秒激光成丝过程中的太赫兹波超光速传输现象研究

通过使用太赫兹(Terahertz,THz)时域光谱系统,探测从不同长度飞秒激光光丝辐射出的THz脉冲,观察到THz波在飞秒激光成丝过程中超光速传输的实验现象。进一步的分析表明:THz波在等离子体光丝区域的折射率小于其在空气中的折射率,这是使得THz波能够在成丝过程中超光速传输的主要原因。由此可以推测:THz脉冲极有可能是在等离子体光丝中进行导引传输的。最后,通过数值模拟获得了光丝区域内的THz本征模式,从而验证了上述推测。     

飞秒激光成丝诱导荧光空间分布特性研究进展

光丝内部的超高钳制光强可诱导大气中的原子、分子等发生隧道电离或多光子电离,并辐射指纹荧光谱。得益于其在复杂大气环境中能够远距离传输的特点,飞秒激光成丝在大气远程探测方面具有广阔的应用前景。光丝诱导物质荧光的空间分布特性与成丝过程中激光、等离子体等参数密切相关,对于理解光丝内物理过程及调控光丝、提升远程探测信噪比等具有重要意义。综述了光丝诱导荧光在侧向、背向及前向三个重要方位的空间分布的研究进展,详细讨论了基于侧向分布表征光丝内光强及等离子体分布的方法,以及实验条件对荧光空间分布的影响,并对放大自发辐射现象及前向、背向远场空间分布的研究进展进行了介绍。最后对飞秒激光成丝诱导荧光空间分布的研究趋势进行了展望。     

飞秒激光光丝电学特性实验及模型分析

飞秒激光在高压放电、电场测量等领域中有广阔的应用前景，准确测量飞秒激光的相关电学参数是各领域中飞秒激光应用的前提。基于激光电学特性实验得到了光丝通道在恒定电场下的电流特征，通过电路仿真得出了实验电路的等效元件参数，并通过仿真结果与实验条件联立的方法逆推得出以下结论：对于飞秒激光经过辅助聚焦后形成的光丝，其在实验电路中的等效电阻随光丝传播距离的增加呈现先减小后增大的变化趋势。2.7 mJ飞秒激光光丝在通过5 m焦距透镜后，贯穿2.5 cm放电间隙。在这个过程中，当光丝传播距离为473.6～501.6 cm时，等效电阻为457.5～9122.5 kΩ。所提分析方法能够表征具体激光能量和聚焦距离下的飞秒激光光丝的电学特性，研究结果为飞秒激光在高电压领域中的应用提供了参数支持。     

基于飞秒激光成丝的超连续光谱产生与调控研究进展

超快激光在透明介质传输中会导致长程无衍射传输的成丝现象。伴随着丰富的非线性光学效应,激光脉冲光谱会被极大展宽,覆盖从微波到紫外的超宽范围,被称为超连续谱。飞秒光丝辐射超连续谱具有宽光谱、高方向性和可调谐等优势,在吸收光谱检测、远程气体检测、脉冲压缩和少周期脉冲形成等领域中具有重要应用,近年来被广泛关注,并取得一系列研究成果。基于此,围绕飞秒光丝辐射超连续光谱,从物理机制到调控方法,系统梳理了该领域的研究历程及最新进展。     

不同能量背景的环形艾里飞秒激光光束大气成丝特性

自从第一次观察到飞秒激光大气成丝后,光丝备受科学家的关注。它的潜在应用价值主要包括电子加速、激光雷达远程遥感、太赫兹辐射和超短脉冲压缩。利用数值仿真的方法,通过改变艾里光束的衰减系数,研究了不同能量背景的环形艾里光束飞秒激光大气成丝特性,得到的光丝长度长于拥有相同峰值功率、弱能量背景高斯光束形成的光丝。通过分析飞秒激光光丝演化过程的时间和空间特性,发现了环形能量背景是环形艾里光束沿传播方向形成高能量密度光丝的前提条件。比较了环形艾里光束和高丝光束在成丝过程中的光谱展宽特性,发现不同衰减系数的环形艾里光束具有相似的光谱展宽特性,但要明显弱于高斯光束的光谱展宽。研究成果对与提升飞秒激光成丝效果具有参考意义。     

强飞秒激光大气传输成丝特性研究

基于对强飞秒激光大气传输的非线性薛定谔方程的变分法,模拟研究飞秒激光大气传输成丝特性.研究了在是否考虑多光子吸收损耗的情况下,激光成丝状态的演化。研究表明：多光子吸收损耗会破坏自聚焦与等离子体散焦之间的动态平衡,进而引起成丝的不稳定性;在不同的入射功率下,成丝的起点位置会发生移动;在实验室条件下,Pin大于等于3Pcr 时才可能形成多次聚焦成丝传输。在继续增加激光入射功率时,光束因强烈聚焦发生崩塌而成多丝结构。     

高斯光束和超高斯光束在空气介质中的成丝特性研究

研究了入射激光光束空间形态对飞秒激光光丝的影响。系统地比较了高斯光束和超高斯光束在空气介质中形成的光丝的特性。理论研究结果表明,在相同的条件下,相比于标准高斯光束,超高斯光束在轴上位置处更有利于获得高的钳制光强以及等离子密度。该研究结果表明,通过改变入射光束空间形态可以实现对光丝特性的调控。在实验上,该方法可以简单地通过在光路中插入圆形光阑,或者利用空间光调制器将传统的高斯光束转变为超高斯光束。     

偏振部分相干激光在大气传输中的退偏特性

基于广义Huygens-Fresnel原理,利用Collins公式,讨论了偏振部分相干激光波束在湍流大气中传输的交叉谱密度函数,推导出经过偏振后的高斯-谢尔模型光束(GSM)在外场不同距离水平传输时波束偏振度的解析表达式。对偏振激光在大气湍流中传输时光束的退偏变化进行数值仿真,得到相同传输距离下,不同的偏振角和初始束腰宽度对光束偏振度的影响;同时分析了不同波长激光的退偏现象以及相同的偏振角度下,不同的初始束腰宽度对波束偏振度的影响。研究结果表明,不同的偏振角对波束的退偏不产生影响;波长越大,波束在大气湍流中传输出现退偏的现象越迟缓;初始束腰越大,大气湍流对波束的退偏影响越快。由此得出:偏振部分相干激光波束比部分相干激光波束在大气湍流中传输的退偏变化更具有规律性和稳定性,退偏现象表现得更加持久,并且初始束腰宽度的变化对偏振部分相干激光偏振度产生影响,但对部分相干波束偏振度的变化几乎不产生任何影响。     

10.6μm激光大气通信的自动瞄准与跟踪

激光大气通信双端的自动瞄准与跟踪，是开发激光大气传输信道、赖以传送大容量信息的一个关键问题。本文在分析扰动大气对光束瞄准跟踪所产生的影响的基础上，提出了适于大气激光通信的跟瞄系统结构和设计准则，建立了跟瞄系统模型，合理地设计了数字式瞄准跟踪系统，并给出了光束跟踪系统的实验结果。１０．６μｍ大气通信瞄准问题，国内外还未见有更深入的研究报告。     

激光非均匀性和内光路热效应对远场特性的影响

高功率高能激光在光束控制系统(或称为内光路)中的传输距离比长程大气传输要短得多，但高功率密度的激光束在通过内光路时的热效应对远场光束质量会有显著影响。采用自编的四维仿真程序，详细计算了沿x方向呈线性变化的环状高功率激光束通过内光路的传输。用像散参数、桶中功率(PIB)和峰值光强位置描述了远场光束质量。研究表明，内光路的热效应(热晕)使得光束的峰值光强和可聚焦能力下降，降低了远场的光束质量，初始光束的非均匀性会影响光束的可聚焦能力并引起像散。值得指出的是，热晕是一种非线性效应，会影响光强分布和引起远场峰值光强位置的移动，对此给出了物理诠释，并用数值计算证实了物理分析。     

强激光在超音速射流剪切层中传播的数值研究

以波长10．6μm、半径0．1m、强度10^6W的高功率CO2激光束穿过二维超音速自由射流剪切层流场为计算模型，研究了由于强激光束辐射加热对流场的干扰以及激光束穿过超音速射流剪切层后远场光强分布的变化。结果表明：在不同的马赫数下超音速射流剪切层流场对激光束远场强度分布影响明显不同，流场密度分布的微小变化都会使光束远场强度分布产生显见的不同；对于透过超音速射流流场的非聚焦的强激光束，由强激光束所产生的辐射加热对流场所造成的干扰可以忽略。     

激光通过大气随机信道远场二维强度分布实时测试系统

文中介绍了激光通过大气随机信道的无场二维强度分布实时测试系统的结构、工作原理和关键技术,用此系统可以方便、准确、形象的观测激光远场光斑的闪烁、漂移和分裂等现象,便于我们研究大气对无线光通信的影响。     

逆向调制阵列大气激光通信的误码率分析

为研究逆向调制阵列对大气湍流的抑制作用,提高逆向调制大气激光通信质量。首先,建立了逆向调制阵列接收光束传输模型,分析了光束经大气传输到达逆向调制阵列的信噪比;然后,建立了逆向调制阵列反射光束在大气信道中的传输模型,推导了不同数目反射光束在接收端的光强概率分布模型,分析了在不同湍流环境下采用逆向调制阵列的激光通信误码率;最后,仿真分析了在中等大气湍流条件下传输距离为1 km时,采用三个逆向调制器组成的逆向调制阵列的通信误码率比单个逆向调制器降低4 dB。     

基于非视线红外激光大气散射通信技术研究

为了实现非视线激光大气散射通信,根据米氏散射理论,建立了非视线通信链路模型,研究了1.06m激光的大气散射通信技术,分析了激光接收功率、激光发射功率、激光发散角、接收视场、探测器灵敏度、发射机倾角、接收机倾角、大气衰减和通信距离的关系,并搭建了试验原理系统,进行了1km距离的散射通信试验,获得了激光散射信号。结果表明,在一定的天气条件下,采用波长为1.06m的红外激光进行信号传输,有望实现远距离的大气散射通信。     

激光辐照远场能流分布估算方法研究

激光与探测器的相互作用，可造成探测器光敏元能流密度超出饱和阈值．在分析了大气对激光传输的影响后，分水平传输和斜程传输2种情况下远场激光能量分布进行了理论估算，并给出了远场激光辐照效果的量化仿真估算．     

准直脉冲激光大气传输热晕数值分析

大气通道上介质对激光部分能量的吸收，导致大气折射率的改变，形成自散焦负透镜，产生热晕．使激光发生畸变，限制了激光能量在大气中的有效传输．以准直脉冲高斯激光束大气传输为例，数值分析了热晕对由光束的声传递时间（即流体动力学时间）定义的两种脉冲长、短脉冲大气传输的影响：长脉冲受到非线性热晕效应影响很大，光束截面上光强发生了重新分布，轴上光强凹陷，峰值光强向周围扩展；短脉冲主要受到线性吸收的作用，受到的非线性热晕效应影响很小．提出了采用脉冲间隔适当的序列短脉冲传输来提高激光传输能量的方法．