1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
为实现激光湍流大气传输效应的快速评估，采用数值仿真方法研究高斯光束远场长曝光光斑的定标规律。首先，对理想光束真空衍射和湍流扩展效应分别定标，结果表明光源截断强弱影响远场有效半径大小。然后，考虑衍射、初始像差、平台抖动和湍流扩展的相互作用，改进了半径平方加和假设，建立了远场63.2%环围功率半径和平均光强的定标规律模型。特别地，对于截断因子为的高斯光束，在实际激光系统特性、常用光学湍流廓线、地对空传输路径组成的参数空间中开展了数值仿真，利用遗传算法确定了模型的标度指数。结果表明基于改进的半径平方加和方法所建立的定标规律模型精度有了显著提升。定标规律模型与数值仿真的结果对比表明，真空传输远场半径的平均相对偏差为1.55%，湍流大气传输远场半径和平均光强的平均相对偏差分别为1.92%和3.80%。
大气光学 大气传输 高斯光束 定标规律 精度 中国激光
2023, 50(22): 2205001
1 太原科技大学应用科学学院，山西 太原 030024
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
基于Collins公式推导了扭曲椭圆高斯谢尔模光束在经过高斯吸收型障碍物后传输的场分布解析表达式，得到了一种有效增强光束自修复能力的基础扭曲光束模型，分析了光源各参数对光束自修复特性的影响，揭示了光束强度、相干度和轨道角动量通量密度在被障碍物部分遮挡后传输的规律以及三者之间的内在联系，解释了扭曲光束自修复特性的内在原理。研究表明，适当减小相干长度和扭曲因子可以在保留扭曲光束特性的同时增强光束的自修复能力。该研究结论有助于优化部分相干光在自由空间传输的整体性能，在自由空间光通信、激光雷达、遥感成像等领域具有潜在的应用价值。
相干光学与统计光学 激光传输 部分相干光 扭曲相位 轨道角动量 自修复 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1703001
1 太原科技大学 应用科学学院, 太原 030024
2 中国科学院 合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 大气光学重点实验室, 合肥 230031
为了得到一种新型椭圆扭曲多高斯-谢尔模(TMGSM)光束, 采用Mercer模式展开的方法进行了理论分析和验证, 证明了多高斯-谢尔模关联结构可携带扭曲相位, 详细研究了其在梯度折射率光纤中传输时的光强和相干度演化。结果表明, 椭圆TMGSM光束在梯度折射率光纤中传输时, 光强和相干度分布随着传输距离的增加发生周期性旋转, 并在0.5L(L为周期)的整数倍处偏转π/2, 其旋转角速度呈非线性变化且与扭曲因子的大小有关; 增大多高斯模数, 焦平面处光强分布的平顶区域增大, 相干度分布轮廓变小。此研究结果在光纤通信、聚焦成像、光学捕获等方面具有潜在的应用前景。
激光光学 扭曲相位 Mercer模式展开理论 多高斯关联 梯度折射率光纤 laser optics twist phase Mercer model expansion theory multi-Gaussian correlation gradient index fibers
中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
精确的甲烷分子实验光谱参数在大气科学和天文探测等领域有着广泛的应用, 特别是谱线的展宽系数及其温度依赖系数对于甲烷分子浓度廓线的研究尤为重要。 精密的实验测量是获得准确谱线参数的重要手段。 采用实验测量获取谱线参数时, 需要在已知实验条件(浓度, 温度, 总压力, 吸收光程以及气体分子种类的混合比等)的情况下, 多次扫描同一波段范围得到多组实验室吸收光谱, 然后利用基于非线性最小二乘法的拟合程序处理这些光谱, 反演获得所需要的光谱参数。 然而, 一般常用的单光谱拟合程序处理实验光谱既费时又容易引起拟合过程中的误差传递。 针对此问题, 采用最小二乘拟合技术和Levenberg-Marquardt迭代算法编写了一款适用于处理由可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)所获得的吸收光谱的多光谱拟合程序。 该程序可同时处理多张实验光谱, 并基于全局拟合方法获得一套光谱参数。 详细介绍了该程序的原理、 使用方法及数据处理过程。 利用多光谱拟合程序中的Voigt线型处理了2 958~2 959 cm-1波数内甲烷(12CH4)分子6条跃迁谱线的实验光谱, 获得了296.0, 251.0, 223.0, 198.0和173.0 K共5组温度下12CH4分子6条谱线的空气展宽系数。 与之前文献报道的该波段内采用单光谱拟合程序得到的相应数据对比结果表明: 获得的各温度下的空气展宽系数与参考文献中相应数据差值的百分比处在-4.97%~1.58%之间, 两者数据整体符合较好, 并且在30组对比数据中, 有4组由单光谱拟合程序得到的空气展宽系数的误差值小于由多光谱拟合程序得到的相应数值, 有2组数据显示由两种方法获得的误差值相等, 其余24组由多光谱拟合程序获得的数据拟合误差小于由单光谱拟合程序获得的相应数值, 表明多光谱拟合程序具有良好的可靠性, 适用于气体分子吸收光谱的处理。
多光谱拟合程序 甲烷 吸收光谱 谱线参数 Multispectrum fitting program Methane Absorption spectrum Line parameter 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3887
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
大气光学湍流是与光电工程系统设计、应用密切相关的基本参数。通过仪器实地测量大气光学湍流廓线时会受到人力、物力、财力等多种条件的限制，因此依据常规气象参数估算大气光学湍流强度具有十分重要的意义。提出一种结合遗传算法的反向传播（GA-BP）神经网络。首先，基于Tatarski大气光学湍流参数化方案，利用HMNSP99外尺度模式估算了大气光学湍流廓线；其次，尝试基于实测数据训练BP神经网络，并结合遗传算法估算大气光学湍流廓线。将两种方法估算的大气光学湍流廓线与实测的廓线进行对比，结果表明：GA-BP神经网络模式估算值与实测值的均方根误差（RMSE）比HMNSP99模式的RMSE小，表明利用GA-BP人工神经网络模式估算大气光学湍流廓线是一种可行的方法。
大气光学 光学湍流廓线 Tatarski模式 反向传播神经网络 探空测量 激光与光电子学进展
2021, 58(21): 2101001
大气气溶胶的光吸收特性是全球气候变化和区域天气的重要影响因素。 随着国家重大光电工程技术的快速发展, 近红外波段的大气气溶胶光吸收特性受到越来越多的关注。 基于光声光谱技术, 自行搭建了一套1 064 nm波长气溶胶光学吸收系数测量装置, 结合扫描电迁移率粒径谱仪对合肥近郊科学岛附近的大气气溶胶的光吸收系数和粒径谱进行了9 d的连续测量, 获取了气溶胶的光学吸收系数、 粒子数浓度及粒径谱的长时间测量数据。 基于测得的光吸收系数与粒子数浓度进行相关性分析。 结果表明, 当气溶胶粒径谱相对稳定时, 气溶胶光吸收系数与数浓度之间具有很好的相关性, 相关系数为0.62~0.99。 此外, 还观测到了夜间粒子的粒径增长过程。 在该时段内粒子数浓度相对稳定, 气溶胶粒子的平均粒径从120 nm左右增长到175 nm附近, 其吸收系数随着粒径的增长从6 Mm-1增加到17 Mm-1。 通过对吸收截面和粒子平均粒径之间的相关性进行理论拟合和分析可知, 该时段内的气溶胶粒子更接近于面吸收体。 最后, 结合环境质量观测站点给出的空气质量监测数据, 对测量期间出现的雾霾天、 晴天、 阴雨天等三种典型天气条件下的气溶胶粒子的光吸收系数和粒径谱的日变化测量数据进行对比分析。 分析结果表明, 三种天气条件下吸收系数和粒子数浓度的日变化趋势具有明显的气象特征: 雾霾时段, 环境中的粒子数浓度及其中的大粒子浓度逐渐增多, 光吸收系数增大; 晴天时, 附近道路上的机动车在交通繁忙时段的尾气排放使得大气中的细粒子在短时间内急剧增多, 导致光吸收系数显著增强; 雨天时, 降水对大气中的气溶胶粒子具有明显的清洗作用, 使得环境中的粒子数浓度显著减少, 导致其吸收系数变小。 实际大气气溶胶光吸收系数的观测与相关测量数据的比对和分析结果验证了所建立测量装置的可靠性, 也为近红外波段气溶胶光吸收特性的深入研究积累了经验。
光声光谱 大气气溶胶 光学吸收系数 1 064 nm波长 Photoacoustic spectroscopy Atmospheric aerosol Optical absorption coefficient 1 064 nm wavelength 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 2989
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
通过构建人工神经网络模型估算中国西北高原地区近地面光学湍流。对多层感知器(MLP)的结构进行优化,其输入层包括10个特征,隐含层包括40个神经元。探讨已建多层感知器的性能,结果表明:当训练集和测试集来自同一地区时,模型的平均相对误差为1.34%,折射率结构常数的实测值和估计值的拟合优度为0.94;当训练集和测试集来自不同地区时,多层感知器的泛化能力需进一步提高。
大气光学 光学湍流 多层感知器 估计精度 光学学报
2020, 40(24): 2401002
1 中国科学院合肥物质科学研究院, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
3 中国人民解放军海军研究院, 北京 100055
高能激光在实际大气中的传输是一个涉及到光传播机理、大气光学特性以及激光与大气相互作用的复杂过程, 评估高能激光大气传输性能, 不仅需要开展激光传输机理研究, 建立高能激光大气传输数理模型, 还需要对实际传输路径中的大气光学特性进行测量和分析。针对高能激光系统工程应用的迫切需求, 简要介绍了高能激光大气传输性能评估研究的方法和发展现状, 重点讨论了影响高能激光大气传输评估准确性的大气参数测量不确定性问题, 指出了高能激光大气传输评估应重点关注的研究方法、测量的大气参数及评估技术发展的趋势。
激光技术 大气传输 高能激光 传输效应评估 不确定性研究 laser technology atmospheric propagation high energy laser evaluation of propagating performance uncertainty analysis
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国人民解放军海军研究院, 北京 100055
激光在实际大气中的传输效果不仅与其自身传输机理有关, 还与大气因素密切相关, 因此, 准确评估激光大气传输的效果,不仅需要开展激光传输机理的研究, 建立激光大气传输数理模型, 还需要对实际传输过程中的大气光学特性进行测量、分析和预测。鉴于实际大气环境的复杂性及多因素耦合的制约, 激光大气传输的机理研究大都采用大气参数可控的物理实验平台和数值仿真软件平台进行研究, 而大气光学特性的研究则在大量实地测量分析的基础上, 重点发展基于物理相关性分析和数学模型构建的光学湍流模式化表征研究。简要介绍了国内外高能激光大气传输性能评估技术的发展情况, 面向高能激光系统未来的实际应用, 指出了其发展趋势。
激光大气传输评估 湍流 热晕 laser atmospheric propagation evaluation turbulence thermal blooming 红外与激光工程
2019, 48(12): 1203002
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室,合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院科学岛分院,合肥 230026
采用多层相位屏的数值仿真方法,综合考虑大气衰减效应和湍流效应,研究了不同湍流强度和不同源相干度条件下超连续谱激光的光束扩展、光斑漂移以及闪烁特性,并对比分析了超连续谱激光传输与单色激光传输特性的差异.结果表明：湍流越强或源相干度越好,超连续谱激光的相对光束扩展越严重；湍流愈强,光斑漂移愈严重,但不同源相干度的超连续谱激光的质心漂移方差几乎相等；降低超连续谱激光的源相干度可以在一定程度上减弱光强起伏的闪烁效应,并降低闪烁指数对离轴距离的依赖性；与单色激光相比,湍流对超连续谱激光的光束扩展以及闪烁效应影响较弱,而质心漂移效应两者差异不明显.单色激光大气传输的数值仿真结果与理论解析结果基本吻合,在一定程度上说明了数值仿真过程的可靠性.该研究不仅提出了一种获得超连续谱激光大气传输特性规律的有效仿真手段,而且为超连续谱激光传输的工程应用提供参考.
超连续谱激光传输 数值仿真 光斑漂移 光束扩展 大气湍流 光强闪烁指数 Super-continuum laser propagation Numerical simulation Beam wandering Beam spreading Atmospheric turbulence Intensity scintillation index 光子学报
2019, 48(10): 1001002
