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。

提出了一种稳定的拉曼激光雷达重叠因子计算和校正算法，适用于含有拉曼散射通道的激光雷达系统的重叠因子校正。此算法基于大气气溶胶光学参数的拉曼反演算法，通过分析消光系数和后向散射系数的反演特点，发现后向散射系数在过渡区中不受重叠因子的影响。用后向散射系数和激光雷达比的乘积对消光系数缺失信号进行初步校正，进而正演出初步校正后的拉曼散射回波信号，将实际拉曼散射回波信号与正演的拉曼散射回波信号相除即可得到重叠因子廓线。对回波信号和气溶胶光学参数进行了过渡区信号校正和盲区信号补充。分别用单组和连续的激光雷达实验观测数据进行了重叠因子的计算和校正，并与能见度仪观测的近地面数据进行了对比，呈现良好的一致性。结果表明，此算法对重叠因子计算较为稳定。

基于聚类思想设计了二维和三维云相态聚类识别算法,结合偏振激光雷达、微波辐射计和毫米波雷达资料,进行了云相态的精细识别与分类方法研究。将云粒子的体退偏比、温度和反射率因子作为聚类网络学习的输入特征量,通过无监督学习区分云层中不同相态的簇划分结果,利用簇划分结果实现了对云相态的精细识别,解决了传统云相态识别中采用单一阈值算法导致的结果误判问题。所设计算法可以实现云中过冷水区、暖云液态水区和冰相的高效识别,同时对混合云相态实现了冰占主导和水占主导的细分。利用偏振激光雷达、微波辐射计和毫米波雷达对西安市上空云层进行了观测,反演了三台仪器的同步观测数据。利用所设计的聚类识别算法对2021年1月9—10日和2021年6月8—9日观测到的云数据进行了二维聚类和三维聚类识别与分析,实现了云层内暖云滴、混合相(冰占主导、水占主导)、过冷水和冰相的区分。通过比较与分析,发现三维聚类识别算法比二维聚类识别算法更能详细地展现相态转换过程的细节信息,整体识别结果与实际天气变换过程吻合。

为给辐射传输方程求解提供足够的气溶胶状态信息,提出了一种双波长拉曼-米激光雷达探测技术和系统。首先,设计了高性能4通道分光系统,用于提取中心波长分别为354.7 nm和1064.2 nm以及386.7 nm和852.7 nm的米-瑞利散射回波信号和氮气拉曼散射回波信号,实现对大气气溶胶的精细探测和反演。然后,在不同天气条件下利用该系统开展了探测实验,通过反演的气溶胶多参量廓线构建了由33层光学厚度、单次散射反照率、散射相函数组成的实际大气气溶胶状态参数列表,并将其作为平面平行辐射传输(SBDART)模式的实际大气自定义气溶胶输入文件。最后,求解辐射传输方程,得到33层实际大气散射辐射亮度分布以及太阳直接和散射辐射亮度的计算结果。通过分析不同天气条件下的实际大气散射辐射亮度,验证了大气气溶胶状态对大气散射辐射亮度的决定性影响。实验结果表明,该系统与地面气象站测量的总辐射亮度平均相对误差为8.2%,相关性系数达到0.98。

为了研究云滴谱的离散度与云微物理参量之间的相关性,提出了基于现场可编程门阵列的短脉冲调制激光、高分辨率显微光学系统和同轴数字全息干涉术相融合的观测技术,该技术探测云滴粒子的最小尺寸为2 μm,还可以获得完整的云滴谱谱宽数据。在膨胀云室中连续三天的不同气溶胶数浓度下,开展了生消过程中云滴粒子的三维位置与直径的观测,利用观测结果计算了云微物理参量。进一步分析了云滴谱的离散度与云微物理参量在生成与消散过程中的正相关关系。通过比对不同气溶胶数浓度条件下云滴谱离散度的分布情况,得到了随着云滴数浓度的增多,离散度的取值范围会逐渐减小,且离散度相对拟合线的离散性降低的结论。

提高二维纳米材料的非线性光学响应,推动非线性光学在光电子领域的应用,是当前的一项巨大挑战,而构建高质量的范德瓦耳斯异质结,研究其非线性光学响应的内在机理,是解决途径之一。本文采用液相剥离结合真空抽滤技术,选择不同的混合方式(粉末混合、超声后混合、离心后混合),构建了三种二硫化铼/石墨烯异质结薄膜,并利用拉曼光谱仪、近红外吸收光谱仪以及原子力显微镜等对其进行了光学表征。采用自主搭建的高重复频率、窄脉宽飞秒Z扫描系统,重点研究了上述异质结薄膜在800 nm处的非线性光学特性,得到了其三阶非线性极化率虚部、品质因数等重要的非线性光学参数。结果表明:异质结的成功构建使得材料的非线性光学响应显著增强,超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜的品质因数是纯二硫化铼薄膜的3.5倍,纯石墨烯的1.6倍;超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜具有最高的反饱和吸收特性,其品质因数相较于粉末混合、离心后混合的异质结薄膜分别提高了44%和27%。本文为范德瓦耳斯异质结的制备提供了新思路,同时也为飞秒光限幅器件的研究打下了理论基础。