西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
提出一种新型的侧向纯转动拉曼散射激光雷达探测技术，其采用双基地的收发系统结构，利用侧向接收系统的俯仰扫描功能实现对与温度具有相反依存关系的高低量子数的侧向纯转动拉曼散射光谱的探测，该技术为从地表到特定高度大气温度的无盲区探测提供了技术支持。侧向纯转动拉曼散射激光雷达的初步观测实验采用整段等距离分辨率和分段等距离分辨率两种云台转动方案，反演结果表明侧向纯转动拉曼散射激光雷达可实现1400 m高度范围内大气温度的精细探测，且分段等距离分辨率云台转动方案在近地表312 m高度范围内能够获得更为精细的大气温度空间分布特征。
大气光学 激光雷达 近地表大气温度 侧向纯转动拉曼散射 无盲区探测 俯仰扫描
西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
考虑到多纵模高光谱分辨率激光雷达（MLM-HSRL）接收的大气弹性散射回波具有与激光器发射光束一致的高斯传输特性，因此分析马赫-曾德尔干涉仪（MZI）光程差和透过率时必须要考虑发散角的影响。详细分析入射光束的发散角对大光程差MZI分光性能的影响，仿真计算得到基于空气腔的大光程差MZI所允许的光束发散角要≤0.4 mrad。为了降低发散角对大光程差MZI分光性能的影响，提出一种基于补偿玻璃的大光程差MZI的视场展宽技术。理论分析和仿真结果表明，视场展宽后系统可允许的发散角可达25.6 mrad，视场展宽技术极大地提升了大光程差MZI的分光能力。
测量 马赫-曾德尔干涉仪 多纵模高光谱分辨率激光雷达 视场展宽 大光程差 有效透过率
Author Affiliations
Abstract
1 School of Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China
2 Center for Atmospheric Research, University of Nova Gorica, SI-5000 Nova Gorica, Slovenia
The multilongitudinal mode (MLM) high-spectral-resolution lidar (HSRL) based on the Mach–Zehnder interferometer (MZI) is constructed in Xi’an for accurate measurements of aerosol optical properties. The critical requirement of the optimal match between the free spectral range of MZI and the longitudinal mode interval of the MLM laser is influenced by the laboratory temperature, pressure, and vibration. To realize the optimal separation of aerosol Mie scattering signals and molecular Rayleigh scattering signals excited by the MLM laser, a self-tuning technique to dynamically adjust the optical path difference (OPD) of the MZI is proposed, which utilizes the maximum ratio between the received power of the Mie channel and Rayleigh channel as the criterion of the OPD displacement. The preliminary experiments show the feasibility of the MLM-HSRL with self-tuning MZI and the stable performance in the separation of aerosol Mie scattering signals and molecular Rayleigh scattering signals.
high-spectral-resolution lidar aerosol optical properties multilongitudinal mode laser self-tuning Mach–Zehnder interferometer Chinese Optics Letters
2023, 21(3): 030101
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
2 陕西省计量科学研究院，陕西 西安 710199
为了解决接触式空气温度探测易受太阳辐射和地面辐射影响的问题，实现空气温度的绝对测量，提出基于Fabry-Perot干涉仪扫描散射谱进而反演温度的高光谱分辨率激光雷达遥感探测方法。系统参数标定是影响温度探测精度的重要因素。利用连续激光器对扫描Fabry-Perot干涉仪的驱动电压、半峰全宽、自由光谱范围、温度控制精度等参数进行了标定。通过标定实验，得到10 GHz的频率扫描范围对应的电压幅值为3.48 V；Fabry-Perot腔0.1 ℃的温度变化对应0.21 GHz的频率漂移。利用可控制温度和压力的散射池对激光雷达温度探测系统进行了标定，经系统误差校正后，反演温度与设置温度获得了较好的一致性，这为实际温度精确探测和反演提供了基础。
光学学报
2022, 42(18): 1828001
闪烁体具有吸收高能光子并将其转换成低能可见光子的能力，被广泛应用于无损检测、安全检查和医学成像等领域。针对传统闪烁晶体制备过程耗时长且成本高的缺点，采用传统熔融淬冷法合成了Sn2+掺杂的透明硼硅酸盐玻璃，并系统研究了该材料的透射光谱、激发光谱、紫外（UV）受激发射光谱、X射线激发发光（XEL）光谱以及衰减曲线。实验结果表明，适当的热处理能有效增强样品的UV激发和XEL强度，最佳样品的XEL强度为商用Bi4Ge3O12晶体的25.1%。此外，在不同功率X射线辐照下样品的透过率仅略有下降，且再次经过热处理可恢复为初始水平。制备的样品具有优异的紫外激发和X射线辐照荧光特性，在X射线成像等领域具有潜在的应用前景。
材料 玻璃 闪烁体 荧光 X射线 激光与光电子学进展
2022, 59(15): 1516010
西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西 西安 710048
多普勒激光雷达在大气风场探测方面已经得到了广泛应用。光纤Mach-Zehnder干涉仪(MZI)作为多普勒激光雷达的新型鉴频系统,具有体积小、轻便、稳定性高的优点。鉴于一般常用的单模光纤MZI与望远镜接收系统的多模光纤直接耦合时能量耦合损耗严重、耦合效率低的缺点,提出采用多模光纤MZI作为鉴频系统,以提高耦合效率,实现能量及探测高度的增加。针对多模光纤MZI可能产生的干涉质量下降问题,利用调整入射角及扰模方式实现多模光纤准单模输出,理论计算结果表明实验所用多模光纤准单模输出对应的入射角度为0.8°,扰模直径为2.2 cm,并进行了实验验证。通过对多普勒激光雷达系统的风场探测信噪比的仿真和对比分析可得,多模光纤MZI作为鉴频器将有效提升系统探测性能。
光学学报
2020, 40(17): 1706002
西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
利用Nd∶YAG激光器产生的10 Hz中心波长为355 nm和266 nm的激光束作为光源,研制了用于对流层大气气溶胶探测的紫外双波长激光雷达,实现了气溶胶Mie散射信号在紫外波段的精细分离和提取。利用266 nm信号探测气溶胶光学特性时不受太阳背景光的影响。对双波长Mie散射信号日间和夜间探测信噪比的数值仿真结果和实际探测信噪比作对比分析,得出日间探测时355 nm信号的信噪比较低,夜间探测时266 nm信号的信噪比较低,这与数值仿真结果一致。通过分析实际探测信噪比为10时的数据,得到该系统日间探测时266 nm信号的探测高度可达2 km,夜间探测时355 nm信号的探测高度可达5 km。利用该激光雷达对西安地区的晴天和雾霾天气进行初步探测,研究分析了晴天和雾霾天气的气溶胶光学特性、臭氧浓度和消光系数。分析了臭氧浓度对反演消光系数和Angstrom指数的影响。结果表明,臭氧浓度越大,消光系数的反演误差越大。雾霾天气气溶胶的消光系数大于晴天气溶胶的消光系数。
大气光学 激光雷达 气溶胶 臭氧 Angstrom指数 光学学报
2020, 40(12): 1201004
西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
设计了一种基于半导体激光器的780 nm高光谱分辨率激光雷达。发射系统以分布反馈式半导体激光器为种子源,利用脉冲电流驱动的锥形半导体光放大器实现窄线宽微脉冲激光输出。分光系统由干涉滤光片、法布里-珀罗标准具和铷原子吸收池构成。干涉滤光片带宽为0.5 nm,法布里-珀罗标准具的半峰全宽为2.8 GHz,二者串联可有效剔除太阳背景光。温度为338 K的铷原子吸收池对米氏散射信号的抑制比达33 dB,可有效提取瑞利散射信号。基于美国标准大气模型对系统进行了数值仿真,验证了系统的探测能力。研究结果对气溶胶光学参量的探测研究具有重要意义。
激光器 半导体激光器 气溶胶 高光谱分辨率激光雷达 铷原子吸收池 中国激光
2019, 46(10): 1001006
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 中国科学院大学, 北京 100049
飞秒强激光与气体相互作用产生高次谐波是重要的超快相干光源,模拟发现,中红外飞秒激光脉冲可以通过交流斯塔克效应在原子基态与激发态之间实现多光子共振增强,产生高亮度的单色高次谐波辐射。通过数值求解含时薛定谔方程发现,存在阈值以下共振增强的非常规高次谐波,且在较低光强下存在一个最优光强使其可以达到最高产生效率。时间-频率分析结果表明,该共振增强可通过强场下的二阶交流斯塔克效应实现,其对驱动激光波长不敏感。这种新机制使得中红外波段的飞秒激光脉冲更有利于产生高亮度的超快单色紫外/极紫外(UV/XUV)光源,在凝聚态物理、材料科学等领域具有重要的应用前景。
激光光学 斯塔克效应 单色极紫外光源 飞秒激光 高次谐波 中国激光
2019, 46(10): 1001003
