长距离光传播路径中大气相干长度的测量研究

基于大口径闪烁法和差分到达角起伏法开展了间距为3.95 km近水平路径的大气相干长度测量实验。测量结果表明:在同路径的上下行光传播方向上,闪烁法测量相干长度的相关系数为0.94,而到达角起伏法测量相干长度的相关系数为0.79。路径权重的理论分析揭示了闪烁法对路径中部的湍涡敏感,且路径权重函数关于路径中部呈对称分布;到达角起伏法对接收端附近的湍涡敏感,其路径权重函数从发射端到接收端呈单调递增趋势。因此,实际的长距离光传输实验中,在不能确定路径中湍流强度分布的情况下,采用闪烁法测量路径上的湍流效应更适宜。     

地空激光大气斜程传输湍流效应的数值模拟分析

大气湍流效应是制约各种激光工程应用的重要因素之一.采用多层相位屏的模拟方法,针对地空激光大气的长距离斜程传输进行了大量数值模拟,通过变化天顶角、光束初始半径和激光波长等传输条件,定量分析了光束的有效半径、相对真空扩展倍数、光斑质心漂移均方根和63.2%环围能量的平均功率密度等统计参量在不同传输条件下受湍流的影响程度和变化规律.结果表明:天顶角越大,湍流效应越强,光束受到湍流的影响越大;波长越短,光束受到湍流的影响越强;光斑的漂移随光束初始半径的增大而减小,且与波长无关;在湍流效应和衍射效应的综合作用下,光束有效半径和63.2%环围能量的功率密度随波长和光束初始半径均不是单调变化.这可为激光工程应用提供一定的理论分析和性能预测依据.     

光热干涉法测量大气气溶胶粒子吸收系数研究进展

光热干涉法可在保持大气气溶胶状态不变的前提下直接测量其吸收系数,具有灵敏度高、响应速度快和测量结果不受散射光影响等优点。详细阐述了光热干涉法测量气溶胶吸收系数的基本原理。通过对几种典型光热干涉仪的剖析,包括Mach-Zehnder干涉仪、Fabry-Perot干涉仪、Jamin干涉仪和折返Jamin干涉仪,介绍了该方法不断完善的研究历程以及仍然待解决的问题。描述了在借鉴和创新基础上,正在开发的全光纤结构光热干涉试验装置。分析了光热干涉法的未来发展趋势。     

利用位置敏感型光电倍增管测量光斑漂移的定标方法

将位置敏感光电倍增管(Position sensitive photomultiplier tube,简称PSPMT)引入大气湍流引起的漂移效应的实验测量中.基于PSPMT的工作原理,分析了探测器的放置位置对输出信号的影响,通过实验方法对PSPMT进行了位置定标和增益定标,获得了入射光束在探测面上的位置坐标.测量结果显示:在入射光斑尺度达到厘米量级同时具有较高强度的情况下,一次采样无法正确反映入射位置.因此以若干次测量的统计平均值表示入射位置,并综合考虑采集卡的最高采样率、采样点和信号频率等因素,分析了在漂移测量中如何选择进行统计平均的数据点的个数.     

夜间整层大气透过率测量技术研究

分析了夜间利用恒星测量整层大气透过率的原理,研制了用于夜间整层大气透过率测量的设备,该设备能够对高度角大于15 的任意天区内的0~5等恒星在400~750 nm分波段弱辐射大气透过率测量,测量带宽为30 nm。采用自动控制CCD曝光时间的方法获取分波段恒星的弱辐射信号,利用图像反馈模式纠正望远镜追星的误差,实现无人值守自动连续整夜观测。设备定标采用Langley-plot定标方法与多目标星定标方法相结合。测量结果分别与CART和Modtran理论计算值进行了比较,比较结果证明了测量方法的可行性和设备的可靠性。     

大气光学特性对目标成像影响的分析

大气吸收、散射和湍流效应导致地球大气中的图像恶化.大气光学特性具有复杂的空间和时间变化特性,不能简单地评价其对目标成像的影响.要透彻地了解红外成像系统在使用地区受大气影响的全貌,必须全面地分析各种可能的大气状态,使用概率进行评价.分析了导致图像恶化的大气因素和大气介质的调制传递函数.以大气消光系数和大气Fried参数为例说明了大气光学特性对红外目标成像影响的复杂性.介绍了图像恶化的修正方法以及应用这些方法时必须获取的大气光学参数和大气光学探测技术,为相关应用分析提供了示范.     

多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤中的轨道角动量演化

轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)的引入丰富了光通信领域内的调制维度,为寻找更高效快捷的通信方式提供了新思路,相较于传统携带涡旋相位的涡旋光束,部分相干扭曲光束携带的OAM性质更为复杂。本文针对椭圆多高斯关联扭曲光束在梯度折射率(gradient-index, GRIN)光纤中的OAM传输,基于GRIN光纤的ABCD光学传输矩阵,着重分析了多高斯关联扭曲光束在GRIN光纤传输的OAM的传输演化特性。研究结果表明,光束的光强、OAM通量密度以及归一化OAM通量密度在光纤传输过程中均呈现周期性变化,通过对关联结构以及扭曲因子的调控不仅可以改变光束OAM通量密度的分布,还可以调控单光子携带OAM的大小。本文的研究有助于丰富扭曲部分相干光束在GRIN光纤中传输的理论结果,在光纤通信中具有潜在的应用前景。     

海面大气边界层内多波段激光传输效应研究

在沿海某地区的海面大气边界层中进行了距离分别为0.5 km、1.0 km和3.0 km的激光大气传输效应研究,通过对可见光(0.473 μm、0.532 μm和0.671 μm)和中红外(3.8 μm)波段激光传输实验测量,得到了海面大气边界层内多波段激光传输的光强起伏、光束漂移和大气衰减,此外,光传输光强起伏的频谱分析进一步揭示了不同波段的激光在海面上传输的独特性.     

基于微扰法研究涡旋光束在大气中传输的热晕效应

基于一阶微扰法,推导了涡旋光束在大气中传输 的稳态热晕解析表达式,并得到了由 热晕引起的涡旋光束的相位畸变表达式。通过数值模拟涡旋光束在大气中传输的光强等值线 分布,详细分析了传输距离、初始功率、横向风速、大气吸收系数和初始半径对涡旋光束热 晕的影响。研究结果表明,在其他参数不变的情况下,单一增大涡旋光束的初始功率、传输 距离和大气吸收系数,热晕效应会增强;相反,单一增大初始半径和横向风速反而会减小热 晕效应。在有风的情况下,由于热晕作用,涡旋光束会向来风方向偏折,峰值强度发生移动 ,形成不对称的分布,且涡旋光束在沿风向和垂直风向的相位变化有所不同。所得结果对高 功率激光在大气传输中的应用与高能激光器的发展具有重要的指导意义。