用非相干光光子回波技术测碘分子蒸汽的横向弛豫时间

本文用密度矩阵法推导出光子回波讯号强度与激光光脉冲相对延迟的一般关系,得出了二脉冲、三脉冲回波强度随延迟的变化公式。实验上用准分子激光器泵浦的可调谐染料激光器作为光源(其中心波长为4880A,线宽为0.1A,脉宽为10ns).分别利用二     

矩形空心波导中的混杂模光子回波

研究了充满稀薄二能级分子气体矩形空心波导中混杂模E_(mn)~y的光子回波。得到的结果是,回波振幅和强度的时间特性和通常光子回波相同,而横向空间分布为与E_(mn)~y相同的周期函数。回波振幅及强度与两个激励脉冲面积呈复杂的贝塞尔函数关系。当W_2=2W_1时,产     

利用光子回波研究尼尔蓝的电子态振动模式

对样品分子建立多模布朗振动模型,分析了理论计算三脉冲光子回波信号强度的方法。以尼尔蓝分子为例,采用多模布朗振动模型来分析尼尔蓝分子的振动,将尼尔蓝分子的振动当作高斯型、过阻尼型、完全非均匀型、欠阻尼型这四种模式的加权耦合。改变四种振动模式的权重以改变尼尔蓝分子的相关函数,对三脉冲光子回波信号进行了数值模拟。以浓度为8×10-5 mol/L的尼尔蓝乙醇溶液为样品,波长为623nm、脉宽为40fs的飞秒激光为光源,进行了三脉冲光子回波信号的实验测量,研究了尼尔蓝分子的电子态振动模式。     

宏-微脉冲激光激发钠信标回波光子数的数值模拟

宽带、圆偏振的宏-微脉冲激光能够有效地激发大气中间层钠原子,为自适应光学波前探测提供较多的回波光子数。在二能级光学Bloch方程的基础上,考虑不同大气湍流模式下激光光强在大气中间层的分布,通过数值模拟的方法,计算三种大气湍流模式下的钠信标回波光子数,然后根据经验确定大气相干长度的范围,估算宏-微脉冲激发钠信标回波光子数的平均值,所得的平均值与实验测量值比较接近。由于宏-微脉冲激光与钠原子作用可以忽略反冲、下抽运、地磁场等因素的影响,因此可以用计算有效截面的方法估算钠信标回波光子数。但是由于这种方法没有考虑激光的偏振态、光束质量因子以及光强的随机分布对钠原子激发态概率的影响,导致计算结果偏小。     

空心平板光波导中三脉冲TE模光子回波

本文讨论了空心平板光波导中三脉冲TE模光子回波问题,求出了强场情况下当激励脉冲为单模脉冲时受激光子回波与象回波的一般表达式。     

空心平板光波导中三脉冲TE模光子回波

本文讨论了充有非均匀增宽的稀簿二能级气体的空心平板波导中三脉冲TE模光子回波问题。求出了强场情况下当激励脉冲为单模时波导中受激光子回波与象回波光场的一般表达式(包括单阶模与多阶两种情况)。所得结果表明。虽然激励脉冲是单阶模的。但回波却可以是多阶模的。然而并非所有模数的回波都能出现。如与激励脉冲模数相同的回波肯定出现,而模数的奇偶性与激励脉冲不同的回波则肯定不出现;当激励脉冲的模数为m时,则模教j(j=lm。且j的奇偶性与m相同)的回波中传播常数满     

基于单光子线性APD的信息提取算法研究

针对新型单光子线性APD器件获得信息维度多、灵敏度高的特点,提出了一种基于单光子线性APD的微弱回波信号距离信息提取算法。首先利用微弱信号的泊松分布特性对回波信号进行建模,随后对每纳秒内的回波光子数进行统计,利用与脉宽等宽的距离窗进行滑窗求和,将最大值位置作为信号脉冲接收时刻,进而反算距离信息。设计了跟踪前的目标搜索策略和稳定跟踪后的距离门匹配算法,有效降低了背景光干扰和计算资源消耗,在回波光子数分别为200、10、5个时分别获得了100、9993、9658的计算正确率。对单光子量级信号设计了脉冲积累算法,单个光子信号回波的计算正确率为995。同时对静止目标通过算法迭代实现了信噪比为0dB甚至负dB的信息提取,对003个光子信号回波探测的计算正确率为961。仿真结果表明该算法可以综合应用单光子线性APD的强度信息以及单光子灵敏度,实现了在极限灵敏域下的距离信息提取。     

高灵敏度的光子偏振激光雷达系统

在空间目标探测中,由于远距离、小目标的特点,回波信号十分微弱,传统的激光雷达不能很好地探测如此微弱的信号。而且现在空间目标探测不仅需要距离信息,还希望获得目标的强度、偏振等更加多维的信息。提出了基于Gm-APD单光子灵敏度探测器的四路光子偏振探测系统,以Gm-APD探测器的泊松概率响应模型为基础,推导了回波微弱信号的强度解算公式,通过四路的强度解算出回波信号的偏振信息,在实验室搭建了四路Gm-APD光子偏振探测系统的原理样机,并介绍了四路Gm-APD光子斯托克斯参量的探测实验。在平均每个脉冲回波能量为7.7810-19 J的情况下,获得3.95%的线偏振误差和5.84%的椭圆偏振误差的探测结果。     

文摘

以光子回波为基础的光学信息记录和读出方法最近得到了相当大的发展.光子回波的不同特性是所谓光学存储,它由共振介质对激发光脉冲之间的相位关系的敏感性确定.就其实质说,在此情况下独特的作用是用共振介质实施动态全息图(光栅),它是由在不同时刻入射的外部光脉冲相互作用(干涉)形成的.光子回波相位存储的特点使得能够     

激光测距中APD阵列探测信噪比分析

APD阵列可提高光子探测效率,然而在回波探测概率提高的同时提高噪声探测概率,因此需合理选择阵列单元数以提高探测信噪比。根据回波和噪声在距离门内的分布情况,结合光子探测概率,建立了盖革模式下APD阵列探测信噪比随阵列单元数的变化模型。讨论了回波光子数、背景噪声强度、回波在门控内位置、占空比等因素对探测信噪比的影响。分析结果表明,提高回波光子数、探测器占空比、轨道预报精度有助于增加APD阵列的探测信噪比;4元APD阵列适用于回波光子数小于0.1、门控内噪声光子数小于1的观测情况,而回波和噪声强度较强时,25元APD阵列能够取得相对较优的探测信噪比。建立的APD阵列探测信噪比模型有助于快速选择APD阵列单元数以达到较高探测信噪比。     

扩展目标光子测距回波特性及误差研究

光子测距具有灵敏度高,探测距离远的特点,目标形状和姿态对光子测距的影响不可忽略。针对扩展平面、球面和非球面三种典型目标,建立了扩展目标光子探测回波概率分布模型,推导出不同倾斜角下混有时空分布的光子回波概率分布一般方程。实验表明,扩展平面的光子回波概率分布与数值计算结果一致。理论仿真分析了扩展目标的光子回波概率分布特性,讨论了光子测距误差与扩展目标类型和倾斜角间的变化规律。结果表明:平均回波光子数为3.9,目标处激光光斑半径为0.2m,倾斜角小于20°时不同扩展目标间的光子测距误差小于1.23mm;光子测距误差随着目标倾斜角的增大逐渐增大,且扩展平面目标测距误差受倾斜角影响最大。     

单光子测距系统仿真及精度分析

单光子探测器和时间相关单光子计数技术（TCSPC）被广泛运用于脉冲式激光测距及三维成像系统中。分析影响探测精度的因素有助于提高测距系统的性能。为此,建立了基于TCSPC单光子测距系统的理论模型,讨论分析了影响测距系统测量精度的因素,主要包括激光脉冲强度和回波信号统计波形的脉宽,其中后者由激光脉宽和探测器的时间抖动决定。并且利用蒙特卡洛法对测距系统的探测过程进行仿真,得到了上述因素对测量精度的具体影响情况。最后搭建了单光子测距的实验室实验系统,经过实验在10 m处的测量精度达到4 mm,对相同参数下的仿真结果进行了验证。     

一种对高速运动目标的单光子测距方法

作为一种前沿的激光探测技术,单光子激光测距技术已成功应用于月球测距、卫星测距和地面测高等领域。然而,单光子测距在机载空对空、地对空平台上对高速运动目标进行跟踪测距时,回波光子落在不同的时间窗,导致直接计数无法有效提取信号的问题仍需解决。针对空对空条件下单光子激光测距的应用需求,基于时间相关光子计数技术设计一种适用于全天时、宽时域、多噪声条件下对高速运动目标的单光子测距方法。该方法采用阵列单光子探测器和相邻时间窗相关统计多帧处理算法提取激光回波光子信号,并在Matlab平台上对算法进行仿真实验,使用多元阵列单光子探测器实现最大测程百公里以上、背景噪声计数率约为5 MHz、单脉冲回波光子计数平均值为1条件下的回波光子信号提取。该方法能够克服传统单光子探测只能对准静态目标测距,只能在小接收视场和小波门范围等弱背景噪声及目标轨迹可预测条件下应用的限制,将单光子探测由只能固定平台夜晚对准静态目标测距推广至通用平台全天时对高速运动目标测距。     

ICESat-2 ATL03数据预处理及校正方法

2018年9月15日,美国航空航天局成功发射了ICESat-2卫星,ICESat-2搭载了地形激光测高仪系统（ATLAS）,已经广泛应用于极地冰盖高程测量、海冰厚度估算、陆地高程测量、地表植被测量等多个研究领域。不同于GLAS/ICESat,ATLAS在信号探测系统中采用更为灵敏的单光子探测器,每秒发射10 000个脉冲（GLAS/ICESat系统每秒发射40个脉冲）,可以获取到重复频率更高、光斑更小的高密度光子计数回波数据,进而实现高精度全球观测。由于ATLAS采用的探测器光电倍增管（PMT）after-pulse的影响,在回波信号脉冲输出后常会出现小幅度脉冲干扰,不能准确反映原始信号波形,所以在实际应用过程中,必须对测量信号进行校正。首先基于ATL03产品,对光子计数回波数据进行预处理,获得了海冰、海洋、陆地和沙漠的廓线信息,结果显示在主信号回波之后均存在两个小的脉冲回波（约2.3 m和4.2 m处）,此外陆地和沙漠在10~45 m间存在一个更长时间延迟的脉冲回波,证实了不同反射表面均会受到PMT after-pulse影响。然后利用ICESat-2卫星过境撒哈拉沙漠地区的夜间观测数据,计算了不同波束下的脉冲响应函数,6个波束得到的脉冲响应函数整体形态相似,在主信号回波后出现三个不同幅度的脉冲回波（约2.3 m、4.2 m和6.5 m处）。最后利用6个波束的脉冲响应函数对同一海洋剖面进行校正,结果显示除ATLAS Beam2外,其余波束均可有效滤除主脉冲之后的小幅度脉冲,校正得到真实的水下回波信号。     

主动探测回波激光脉冲时域特性

利用猫眼效应原理实施目标主动探测,能够快速、准确发现空间光学侦察设备。激光脉冲辐照不同的反射目标,产生回波经大气传输后具有不同的脉冲展宽,利用该特性可实现对不同目标的识别和定位。利用光子散射理论分析了近地面气溶胶散射效应引起的脉冲展宽,给出了影响脉冲展宽的主要因素,建立了猫眼和漫反射背景回波脉冲展宽的计算物理模型;为验证模型,设计并实施了基于飞艇平台的动态主动探测验证实验,实验结果表明:激光脉冲经过8～10 km斜程大气传输,猫眼和飞艇背景漫反射回波分别展宽了20～30 ns和90 ns,与物理模型计算值具有较好的一致性,验证了物理模型的正确性,该模型可为区分和提取猫眼回波信号提供理论依据。     

利用单光子探测器测量多光子响应时间

通过研究单光子探测器对微弱激光脉冲的暂态响 应特性,利用不同光子数的响应时间实现光 子数的分辨测量。理论上分析了光子数响应时间与微弱光脉冲探测时间的对应关系。实验上 通过测量不同光强下单光子探测器的暂态响应,测量到1550nm波段单光子、 双光子和三光子的响应时间分别为10.73±0.17、8.75±0.32和5.98±0.77ns。实现精确区分微弱光场中的光子数。分析了单光子探测器光子数统计涨落引起的 微弱激光脉冲的探测时间变化对光子数响应时间测量的影响。     

脉冲雷达的优化设计

常规脉冲雷达基于回波时延距离变换原理,工作比一般较小,存在许多缺点。提出了一种基于回波时延频率距离变换原理的脉冲雷达,给出了这种雷达发射信号的选择、雷达诸参数优化设计原则及主要分机技术。     

A photon echo in a system of ensemble qubits that are selectively radiated by short laser pulses

Equations of quantum computing in a system of two ensemble qubits are solved. The qubits are spherical nanoparticles activated by two-level atoms. It is proved that a photon echo may occur during quantum computations in an optical quantum computer when the ensemble qubits are selectively excited by short optical pulses. The photon echo phenomenon is caused by time reversal of oscillations of induced dipole moments of the qubits. It is shown that this effect can be observed in the case of interference of oscillating dipoles in the wave zone.     

Laser-induced time-resolved fluorescence of vegetation

Time-resolved measurements of the laser-induced chlorophyll fluorescence emission of vegetation detected by two different techniques are described. Fluorescence decay time measurements using single photon counting and picosecond laser pulse excitation have been used to analyze the fluorescence heterogeneity of plant leaves. The fluorescence is described by lifetimes of 10-40, 80-150, 400-500, and 700-1000 ps. By closing the reaction centers via application of the herbicide DCMU, the lifetimes of the two slowest components increase by a factor of about three. Another possible method to monitor the fluorescence after picosecond excitation could be a streak camera detection system. Measurements performed on the slow decay component of stressed and unstressed plants are presented