1 浙江大学光电科学与工程学院极端光学技术与仪器全国重点实验室，浙江 杭州 310027
2 东海实验室，浙江 舟山 316021
3 浙江大学杭州国际科创中心，浙江 杭州 311200
4 浙江大学嘉兴研究院，浙江 嘉兴 314000
5 浙江大学地球科学学院浙江省地学大数据与地球深部资源重点实验室，浙江 杭州 310027
6 浙江大学宁波科创中心，浙江 宁波 315100
7 无锡中科光电技术有限公司，江苏 无锡 214135
气溶胶是地气系统辐射强迫评估的主要不确定来源之一，激光雷达探测的气溶胶廓线数据有助于定量评估气溶胶的气候效应。除已发布的气溶胶观测产品外，大量气溶胶激光雷达观测数据分布于文献中。然而，目前尚缺乏对气溶胶历史文献数据的整合分析。因此，聚焦现有观测产品较缺乏的激光雷达比参数，充分考虑气溶胶的类型差异，提出了一种激光雷达比历史文献数据的模糊综合评价分析方法。基于Web of Science数据库，发现不同类型气溶胶（沙尘、沙尘混合、火山灰、海洋、烟尘、城市工业气溶胶）的激光雷达比均呈高斯分布，且集中范围均存在重叠。历史文献数据能与气溶胶观测数据产品提供的数据形成互补，所提出的模糊综合评价分析方法有助于提升人们对气溶胶光学特性的认识。
气溶胶 激光雷达比 历史数据 模糊综合评价 光学学报
2023, 43(24): 2401009
1 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光及应用技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
高功率窄线宽光纤激光器在遥感测量、引力波探测、光束合成等领域中应用广泛，但硅基光纤中的受激布里渊散射效应限制了其输出功率。对单频种子源进行相位调制以展宽线宽是常见的抑制受激布里渊散射的方法。然而，单一机理的射频相位调制对受激布里渊散射效应的阈值提升能力有限，已经不能满足近5 kW的激光功率需求。分析了伪随机二进制序列和正弦信号级联的相位调制对光谱展宽和受激布里渊散射效应抑制的影响，搭建了级联相位调制的高功率窄线宽光纤激光器，采用四级功率放大结构，在46 GHz均方根线宽下，实现了4.93 kW激光输出，中心波长为1067.5 nm，斜率效率为78%，光束质量为M2<1.2。
激光器 光纤激光器 受激布里渊散射 相位调制 中国激光
2023, 50(10): 1001005
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
调制传递函数（MTF）是遥感相机的重要评价指标，但是目前对于数字域 TDI CMOS 相机动态MTF特性研究十分有限，为了深入研究其像质下降机理，结合数字域TDI CMOS成像原理，建立了像元、电子快门、曝光时间、振动引起的数字域TDI成像MTF下降数学模型。结合推导模型开展了预估分析和实验验证。结果表明：传感器的有效像元区域分布会影响图像MTF，且开口率越小影响越大；CMOS传感器的卷帘快门会导致数字域TDI成像MTF下降，卷帘速度越慢影响越严重，其中卷帘速度从6 μs变为10 μs时，对应的图像MTF从0.191下降为0.177；曝光时间越短则MTF越高，尤其当存在低频像移失配时更为明显，曝光时间从180 μs减小为100 μs时，图像MTF从0.126提高为0.155，但同时也会影响图像信噪比，因此在实际应用中应合理选择曝光时间。
时间延迟积分 图像传感器 卷帘快门 调制传递函数 像移 TDI image sensor rolling shutter MTF image motion
1 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光及应用技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
基于连续波速率方程，建立了1018 nm单纤振荡器理论模型，优化了激光器增益光纤长度、输出腔镜低反光栅反射率和带宽以及激光器的结构。采用正向泵浦结构，使用波长锁定的半导体泵浦源和2.7 m长的30 μm/ 250 μm掺Yb3＋双包层光纤，实现了520 W的最高功率输出，光光效率为80.2%，光束质量因子(M2)为1.85。此外，在447 W处具有最高光光效率84.2%。同时，利用激光器主结构温度控制技术，使激光器稳定工作在21 ℃。最终实现了激光器连续工作1 h功率不稳定度为0.7%的目标，实现了高效率、高稳定性1018 nm激光的单纤振荡输出。
激光器 光纤激光器 高效率 功率稳定性 中国激光
2022, 49(17): 1701002
1 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室，上海 201800
3 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
中国激光
2022, 49(11): 1116001
1 上海理工大学能源与动力工程学院/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 上海航天动力技术研究所, 上海 201109
光谱消光法广泛应用于颗粒粒径测量领域, 在利用光谱消光法对颗粒粒径进行反演的过程中, 由于颗粒的消光系数存在理论复杂、 计算繁琐、 收敛速度慢以及求解不稳定等问题, 很大程度上影响了整个反演过程的快速性和准确性。 且在众多波长的消光数据中, 存在较多重复冗余的信息, 也很大程度上增加了反演算法的时间。 针对光谱消光法粒径反演算法计算繁琐、 反演效率低的问题, 提出了基于主成分分析(PCA)和BP神经网络的光谱消光颗粒粒径分析方法。 基于Mie散射理论对不同粒径、 不同波长下的光谱消光值进行了仿真计算, 通过对光谱消光数据集的主成分分析及各个波长综合载荷系数的计算, 实现了最优特征波长的选取, 利用降维后的光谱消光数据训练了PCA-BP神经网络模型, 并利用该网络模型计算了粒径颗粒分布。 通过仿真计算, 比较了PCA-BP神经网络模型与传统的BP神经网络模型的预测精度, 并分析了波长数目对两种神经网络模型预测结果的影响。 针对训练得到的PCA-BP神经网络模型开展光谱消光法粒径参数反演算法的验证实验, 搭建了光谱消光法颗粒粒径参数测量实验系统, 测量了粒径范围在0.5~9.7 μm内的6种不同粒径参数的聚苯乙烯标准颗粒。 仿真和实验结果表明: 基于主成分分析方法可确定各个波长向量之间的相关性, 利用综合载荷系数选取最优特征波长对应的消光值对整体的光谱数据具有较好的代表性, 可实现光谱数据的降维。 相比传统的BP神经网络模型, 基于PCA-BP神经网络模型的颗粒粒径分布的分析方法预测精度更高, 对于较分散颗粒系的分布参数的预测有更加明显的优势。 而且, 被选取的波长数较少时, PCA-BP神经网络模型依然有较高的预测精度。 利用训练好的PCA-BP神经网络模型对颗粒粒径参数进行实验验证, 预测结果可瞬时输出, 颗粒粒径分布误差在5%以内, 验证了该算法的可行性。
粒径测量 光谱消光法 最优特征波长 PCA-BP神经网络 Particle size measurement Spectral extinction method Optimal characteristic wavelength PCA-BP neural network 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3639
1 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 中国科学院上海光学精密机械研究所中科院强激光材料重点实验室, 上海 201800
基于掺镱光纤激光放大器理论模型,分析了光纤放大器中掺镱光纤弯曲半径对模式传输损耗的影响以及掺镱光纤长度对系统光-光转换效率的影响。结合实验中采用的掺镱光纤的特点,对掺镱光纤的弯曲半径及光纤长度进行了优化设计。基于主振荡放大结构中,种子光源的输出功率为170 W,光束质量为 M2x=1.10, M2y=1.05;放大器采用双端抽运的方式,使用自研30/600 μm掺镱光纤,最终实现了输出功率为10.14 kW,中心波长为1070.36 nm,3 dB带宽为5.32 nm的全光纤激光输出,光束质量为 M2x=3.12, M2y=3.18。放大级最大光-光转换效率为87.9%,斜率效率为89.2%,输出激光信噪比大于45 dB。
光纤光学 光纤放大器 掺镱光纤 主振荡放大 双端抽运 高效率 中国激光
2020, 47(10): 1006001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室， 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心， 北京 100049
3 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室， 上海 201800
基于自主研发的大模场增益光纤和无源器件，采用双端抽运技术，搭建了一台全国产化10 kW 光纤激光器，实现了非线性效应抑制。该激光器的功率放大器的输出功率达到10.14 kW，中心波长为1070.36 nm，3 dB光谱带宽为5.32 nm。其主放大级最大光-光转换效率为87.8%，斜率效率为89.2%，成为目前国内报道的效率最高的10 kW级光纤激光器。
激光器 掺镱光纤 主振荡放大 高效率
1 中国科学院上海光学精密机械研究所 空间激光信息技术研究中心, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京100049
3 上海大学 理学院, 上海 200444
4 哈尔滨工业大学 空间环境材料行为与评价技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
开展了1 915 nm高功率、高效率、窄谱宽输出的掺铥光纤激光器(TDFL)研究。基于全光纤主振荡功率放大(MOPA)结构, 采用40 W的793 nm半导体激光器泵浦纤芯直径25 μm的双包层大模场面积(LMA)掺铥光纤, 获得了最高功率12.1 W的1 915 nm窄谱宽连续种子激光输出。将8 W种子光注入掺铥光纤放大器, 在793 nm激光泵浦功率为142.9 W时, 获得了平均功率90 W的激光输出, 其中心波长为1 915.051 nm, 3 dB谱宽仅为94 pm, 斜率效率为60.2%, 光-光转换效率达63.0%。该系统在40 min运行考核时间内输出激光稳定性良好。
掺铥光纤激光器 主振荡功率放大 窄谱宽 高效率 thulium-doped fiber laser MOPA 1 915 nm 1 915 nm narrow bandwidth high efficiency 红外与激光工程
2018, 47(5): 0505001
1 上海大学机电工程与自动化学院, 上海 200072
2 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室, 上海 201800
针对高功率光纤激光器在空间等特殊环境下无水冷却的热管理要求, 设计并研制了一种基于相变材料的高功率光纤包层光滤除器。采用正十八烷作为相变材料吸收包层光滤除器的产热, 利用Ansys的Fluent模块仿真分析相变材料的相变过程及200 W下滤除器温度分布特性, 实验采用0.246 kg质量分数为99%的正十八烷对200 W级滤除器进行热管理, 在室温为25.6 ℃、滤除的包层光为206 W的情况下, 该滤除器可稳定、安全工作360 s。实验结果和仿真结果基本吻合。
激光器 高功率光纤激光器 包层光滤除器 相变材料 温度分布
