瑞利-拉曼散射激光雷达探测大气温度分布

介绍一台用于夜晚探测大气温度分布的L625瑞利-拉曼(Rayleigh-Raman)散射激光雷达。采用Nd：YAG激光器三倍频输出355nm作为发射激光，利用弱光子计数技术检测大气中分子的瑞利散射和N2分子振动拉曼散射回波，分析得到了平流层和对流层中上部大气温度的垂直分布廓线。其观测结果分别与HALOE／UARS卫星和无线电气象探空仪结果进行了对比分析。其中，激光雷达观测的平流层温度与HALOE卫星的结果对比表明，它们在高度25～65km内显示出较好的一致性，20个夜晚的平均温度差别基本上小于2K。激光雷达与无线电气象探空仪探测的对流层温度在高度为5～18km内反映了较为一致的分布趋势，15个夜晚的平均温度差别在6～16．5km高度内小于3K。这些结果表明，L625瑞利-拉曼散射激光雷达观测数据可靠，可用于大气温度分布的常规观测和分析研究。     

用于探测大气臭氧的准分子激光雷达系统

测量臭氧在大气中垂直分布的最有前途的方法之一是最近在紫外光谱区用差分吸收法的雷达探测.这种雷达的工作原理在于:记录在大气中散射的两个接近波长的光信号,其中之一在所研究的气体中强吸收,第二个波长是参考波.关于在紫外光谱区的雷达系统用于测量对流层和平流层臭氧的浓度已有一些报导.     

甲烷和氢气混合气体中的多波长拉曼转换

探索Nd：YAG倍频激光与受激拉曼散射(SRS)结合获得从紫外到可见光范围的多波长输出，可应用于激光雷达探测空气污染等领域。利用Nd：YAG激光的三倍频355nm波长输出在甲烷及甲烷和氢气混合气体中的拉曼特性进行研究。获得在396nm，416nm，447nm和503nm 515nm等多个波长分别约100mW的同时输出，以及对个别波长的增强。讨论了不同常见的工作气体及混合气体的特点。与单一工作气体(氢气或甲烷)相比，混合气体可以获得更为丰富的波长输出。相比甲烷气体在紫外激光照射下的分解作用，由于氢气的加入一定程度上抑制了分解反应，混合气体产生的分解沉淀较少。     

小视场大气温湿度探测的拉曼激光雷达的设计与仿真

太阳光背景辐射严重影响拉曼激光雷达白天探测的性能。为提高拉曼激光雷达白天探测的高度和精度,设计了激光波长为354.8 nm的拉曼激光雷达系统,讨论了354.8 nm和532 nm激光光源对拉曼激光雷达探测性能的影响,完成了系统的光路设计。偏振分光棱镜和1/4波片组成的光开关与收发合置的望远镜相结合,减小了系统的接收视场角,优化了白天探测的性能。以最小的温度不确定度为标准,通过仿真分析选取了转动拉曼通道干涉滤光片的各项参数,并对系统的探测性能进行了仿真。仿真过程中激光能量取200 mJ,频率50 Hz,积分时间20 min,距离分辨率105 m。收发合置的拉曼激光雷达系统在考虑退偏的情况下,白天探测的温度不确定度在3180 m以下小于1 K。白天探测水汽混合比的统计误差在2400 m以下,小于0.001 g/kg。仿真结果表明,白天探测的性能得到了一定程度的提高。     

大气探测激光雷达技术综述

大气探测激光雷达具有可提供高时空分辨率、高探测精度和连续廓线数据的优势,已经成为大气探测强有力的工具。按照激光雷达探测技术分类,有米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼激光雷达、差分吸收激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达和多普勒激光雷达等,分别介绍了各类激光雷达探测的基本原理、发展历史及优缺点,以及其在探测大气气溶胶和云、水汽、温度、风、痕量气体、温室气体和污染气体等方面的应用。最后进行总结,并对激光雷达技术发展趋势进行了展望。     

户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达系统研制

激光雷达探测臭氧和气溶胶垂直廓线分布近年来在环境监测领域获得广泛应用。介绍了一套可同时用于探测臭氧和气溶胶浓度的激光雷达系统。采用Nd:YAG激光器,通过二倍频器和四倍频器分别产生532 nm和266 nm激光光源,基于受激拉曼散射原理,在两根拉曼管中分别充有氘气和氢气,产生拉曼频移光289 nm,299 nm,通过差分吸收算法原理反演垂直空间臭氧浓度廓线,通过米散射算法原理来反演气溶胶浓度廓线。水平扫描试验结果显示,雷达系统的探测结果与近地面点式臭氧分析仪测量结果有较好的一致性,相对误差小于10%。在安徽合肥科学岛外场观测结果表明:臭氧探测高度,白天可以达到3 km,晚上可以达到5 km,气溶胶探测高度,白天可以达到10 km,晚上可以达到15 km。     

纯转动拉曼激光雷达探测北京地区近地面大气温度

对流层大气温度的垂直分布特征直接关联天气现象和大气污染物扩散,一直是气象和环境部门的重点观测对象。当前激光雷达技术已经成为探测对流层大气温度垂直分布和时间演变的有效手段。然而由于对流层中含有大量的气溶胶粒子,因此利用传统的振动拉曼和瑞利散射激光雷达技术测量大气温度具有一定的局限性,尤其是边界层内存在高浓度的气溶胶粒子会严重降低大气温度测量精度。采用纯转动拉曼激光雷达技术可有效降低气溶胶粒子对测量温度精度的影响。纯转动拉曼测温激光雷达的核心是分光单元设计,国内外研究普遍使用基于双光栅干涉仪的分光方法。文中将采用基于滤光片法的纯转动拉曼信号分光设计,相比而言该方法具有更高的分光效率,并且能够通过调节滤光片的角度改变激光雷达系统的灵敏度,操作更为简单。在中国科学院大气灰霾追因与控制先导专项支持下,该激光雷达与2014年11月安置在中国科学技术大学超级大气观测站。在亚太经济合作组织北京会议期间,展开大气环境测量试验。激光紫外波段能量约为200 mJ,频率为20 Hz,激光脉冲数为5 000发,空间分辨率为7.5 m。实验结果表明,在晴朗无云气溶胶浓度较小的天气条件下温度测量统计误差小于1.5 K,测量高度可达10 km,在7.5 km以下统计误差小于1 K;在有薄云或者轻度雾霾天气条件下,温度测量统计误差在3 K左右,测量有效高度通常在6~8 km,在4.8 km以下统计误差小于1 K。     

边界层臭氧差分吸收激光雷达

差分吸收激光雷达是测量边界层臭氧空间分布的一种重要工具。研制了一台边界层臭氧差分吸收激光雷达系统,系统采用Nd:YAG四倍频激光266 nm泵浦H2/D2混合气体产生受激拉曼光作为光源,采用牛顿型望远镜接收大气回波,288.9 nm和299 nm的弹性散射信号被分成两路,被光电倍增管转换为电信号,然后通过A/D采集卡采集保存用以反演大气臭氧分布廓线。给出了系统的探测结果以及和臭氧探空仪地对比验证实验。结果显示该激光雷达可以大大降低几何因子的影响,提供0.2~2 km区间的边界层大气臭氧分布廓线。     

级联拉曼光纤激光器研究进展

稀土掺杂光纤激光器因受限于稀土元素的发射截面,只能在特定波长范围输出激光。理论上级联拉曼光纤激光器只要有合适的泵浦源和适当的谐振腔,即可输出任意波长斯托克斯光。以1064nm掺镱光纤激光器作泵浦源为例,以锗硅光纤为拉曼增益媒质,目前报道的级联拉曼光纤激光器输出的斯托克斯光波长范围为1120~2200nm。由于增益光纤具有很宽的拉曼增益谱,级联拉曼光纤激光器可进行宽带调谐,也可同时输出多个波长。级联拉曼光纤激光器不仅用于光通信上拉曼光纤放大器和远程泵浦掺铒光纤放大器的泵浦源,也可广泛用于超连续波产生、光传感、光成像等领域。对近几年来级联拉曼光纤激光器在理论设计基础、单、多波长级联拉曼光纤激光器等方面获得的取得的最新进展进行了概述。     

转动能级拉曼抽运技术在NO2激光探测雷达中的应用

差分吸收激光雷达(DIAL)是目前探测大气污染成分最有效的方法之一.介绍了一种新型NO2激光探测雷达(NO2-DIAL)差分吸收光源的设计:选择Nd:YAG的三倍频输出激光作为λon(354.7nm),并采用该三倍频激光的圆(或椭圆)偏振光抽运D2拉曼池,选择其中距抽运光波长最接近的第一级纯受激转动拉曼散射光作为特征吸收波长λoff(359.9nm).抽运光的偏振态调制采用1/4波片调谐技术方便地测定和实现.这一方法保证了两个差分激光的中心波长稳定、频漂小、线宽窄,同时系统只需使用一个拉曼池,即可获得同轴性很好的两束激光输出,在技术指标的提升和经济性两方面都具有很大的优势.     

一套测量对流层臭氧的差分吸收激光雷达系统

差分吸收激光雷达是探测对流层臭氧分布的一种先进工具。研制了一套车载差分激光雷达系统,系统基于NdYAG四倍频激光和拉曼频移技术产生紫外差分光源,并采用卡塞格林(Cassegrain)型望远镜,利用光栅光谱仪分离四波长的回波信号,使用光子计数和模拟采集相融合的方式采集数据。讨论分析了系统的测量精度并与臭氧探空仪进行了对比验证实验。实验结果表明,两台仪器测量的对流层臭氧具有很好的一致性,证实了车载差分吸收激光雷达系统及臭氧浓度分析软件的可靠性。     

纳米Al2O3/Ni基合金复合材料激光熔覆层组织

采用横流5kW CO2激光，在Ni基高温合金表面制备了纳米Al2O3／Ni基合金复合材料激光熔覆层。利用光学显微镜、扫描电镜(SEM)及附件(EDS)分析了熔覆层的快速凝固组织、成分及纳米颗粒的分布。结果表明，未加纳米Al2O3时界面区为垂直于界面、定向生长的柱状树枝晶组织；加入纳米Al2O3后，熔池凝固结晶组织形态发生变化，由细长的柱状树枝晶逐步过渡为较短的树枝晶；当Al2O3的加入量为1％时，熔覆层与基体的界面区不出现定向生长，整个断面呈现等轴枝晶组织；纳米Al2O3促进固液界面前沿形核，纳米Al2O3附着在晶体生长的前沿，阻碍晶体的长大，凝固组织得到显著细化；纳米Al2O3颗粒抑制了熔覆层裂纹的形成。     

Sol-Gel法制备硅基钛酸铋铁电薄膜

介绍溶胶一凝胶(Sol-Gel)法制备Bi4Ti3O12薄膜的工艺过程；对前驱体溶液进行了综合热分析，并对薄膜的性质进行了研究；成功地在p-Si衬底上制备出随机取向的Bi4Ti3O12铁电薄膜。在650℃下退火30min得到的Bi4Ti3O12薄膜的剩余极化强度Pr=12μC／cm^2，矫顽场强Ec=130kV／cm。     

BiB3O6晶体的拉曼光谱

对BiB3O6晶体(BIBO)的拉曼光谱进行了研究。BIBO的振动模分为外模和内模,外模总数是2A 5B,内模数是11A 10B。运用分子位置群分析的方法分析内模,BIBO的内模归属于[BO3]三角形和[BO4]四面体的振动模,[Bo2]和[Bo4]共享O原子。外部振动起源于Bi^3 、[Bo3]基团的平移模与[Bo3]基团的天平动。     

大气中甲烷含量监测方法研究

甲烷是大气中对温室效应影响仅次于二氧化碳的气体,甲烷的含量对于辐射过程和气候发展趋势的研究是特别重要;通过监测地面环境空气中甲烷的含量来分析其来源,能够为大气化学的研究提供非常重要的依据。本文针对环境空气中甲烷的测定,介绍了常用的两种测量方法。对每种方法的测量原理、特点及适用范围等方面进行了详细的阐述,对GC与TDLAS两种方法进行了详细的比较。     

TbP_5O_(14)非晶中Tb~(3+)的双光子吸收

本文报导了我们首次观察到TbP_5O_(14)非晶中Tb~(3*)离子的双光子吸收现象,发现二级理论允许的双光子吸收较强,否则则很弱,并且这些弱的双光子吸收的强度可由进一步考虑三级自旋轨道相互作用对双光子吸收的微扰贡献加以解释。     

激光熔覆镍包纳米氧化铝

进行了2Cr13不锈钢表面激光熔覆镍包纳米氧化铝的实验。使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线能量色散谱仪(EDAX)、显微硬度仪等设备检测了涂层表面、横截面的显微组织和涂层的硬度、耐磨损等性能,分析了加入纳米氧化铝粒子后对涂层组织和性能的影响。研究结果表明,激光熔覆可获得致密的Fe-Ni(Cr)合金和Al2O3粒子复合涂层。其中,纳米氧化铝粒子弥散分布在微细合金晶粒之间,并与合金晶粒一起形成了胞状树枝晶结构。纳米氧化铝粒子的加入增加了基质金属的成核率,起到了细晶强化以及弥散强化的作用,使得复合涂层的机械性能大幅度提高。复合涂层的平均硬度为700HV0.2,比基体提高了1.5倍,耐磨损性能比淬火态基体提高了1.25倍。     

Al2O3陶瓷的激光三维雕刻实验研究

基于激光三维雕刻对单层雕刻深度的工艺需求,采用不同雕刻工艺参数对Al2O3陶瓷进行雕刻实验。详细分析了工艺参数对单层雕刻深度、雕刻质量的影响以及激光雕刻陶瓷的机理,并建立起激光雕刻深度的数学模型。当激光输出功率为12.2A、重复频率为2kHz、激光扫描速度为25mm/s时,陶瓷试样的单层雕刻深度最接近0.1mm,同时获得较高的雕刻质量。利用实验中获得的参数数据进行了三维实体的雕刻并给出了应用实例。结果表明,分层成形原理可以应用于激光雕刻领域,三维雕刻系统能够在陶瓷表面直接加工真正的三维图形。     

微脉冲差分吸收激光雷达CO2探测性能研究

为了研究差分吸收激光雷达低空CO2浓度探测效率,分析了探测系统的原理与信噪比,采用近红外微脉冲激光雷达进行了仿真实验,当激光脉冲能量为20μJ、重复频率为10kHz时,推算出信噪比、所需积累时间与探测距离的关系。在不考虑背景噪声情况下(夜间工作),可进行4.5km以下CO2气体浓度的探测;考虑背景噪声情况下(白天工作),只能探测2.4km以下的CO2气体浓度。结果表明,选择夜间探测和更好的探测器件可以提高探测距离。