长春理工大学物理学院吉林省固体激光技术与应用重点实验室，吉林 长春 130022
基于Rytov近似，理论推导了完美涡旋光束（PVB）经过大气湍流水平信道后的螺旋相位谱解析表达式，研究了大气湍流中光束波长、半环宽、发射处轨道角动量（OAM）模态、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数对OAM模态探测概率和串扰概率的影响。结果表明：随着发射处OAM模态、传输距离、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数的增加，经大气湍流传输后的探测概率下降；随着光束波长的增加，经大气湍流传输后的探测概率增加。此外，PVB在近场的探测概率几乎不随发射处OAM模态变化，而当光束传输到远场时，探测概率随发射处OAM模态变化明显，这是因为PVB传输到远场变成类贝塞尔光束，其光束半径随发射处OAM模态变化明显。
大气光学 完美涡旋光束 轨道角动量 湍流大气 螺旋相位谱
西安科技大学测绘科学与技术学院, 陕西 西安 710054
2019年和2021年新冠疫情期间西安市政府均采取了强有力的管控措施，为此对比研究了不同程度减排措施对空气质量的影响。采用特征雷达图、空间插值和HYPLIST轨迹模型等方法对西安市疫情期间 (2019年12月—2020年2月、2021年12月—2022年2月) 和正常生产期 (2020年12月—2021年2月) 冬季空气质量变化特征进行了对比分析，并探讨了人为减排情景下空气质量变化潜在原因。结果表明：(1) 西安市环境空气质量指数 (AQI) 空间分布整体呈现“西北劣东南优”特征。2020年疫情严控期空气质量得到明显改善，优良率达到53%；2022年疫情严控期空气质量未受管控措施明显影响。(2) 2020年疫情严控期除O3外污染物浓度均明显下降，降幅分别为PM2.5 (42.90%) > NO2 (42.13%) > CO (35.37%) > PM10 (32.58%) > SO2 (17.40%)；2022年仅有SO2和NO2浓度下降，降幅为NO2 (31.86%) > SO2 (18.31%)。疫情期间污染类型属于偏二次型。(3) 疫情期间，污染天气是在高湿静风天气条件和盆地地形的基础上，受人为源排放和区域污染物传输引起的，因此促进污染物协同减排和关中地区联防联控是改善空气质量的关键举措。
新冠疫情 空气质量 时空特征 影响因素 COVID-19 pandemic atmosphere quality spatio-temporal characteristics influence factors
南京航空航天大学能源与动力学院，江苏 南京 210016
以中高层大气背景的红外辐射特性和红外成像为研究目的，建立中高层大气背景探测模型和红外成像模型，分析中光谱分辨率大气辐射传输模式（MODTRAN）在红外波段的适用范围，利用战略高空辐亮度代码（SHARC）仿真分析3~5 μm波段不同观测参数下的中高层大气背景红外辐射特性，并建立相关辐射特性数据库，完成中高层大气背景红外辐射场景成像仿真。结果表明：3~5 μm和8~12 μm波段MODTRAN分别在切点高度50 km和70 km以下具有较好的计算精度；中高层大气背景辐亮度随着切点高度和太阳天顶角的增大而减小，随着观测天顶角的增大而增大；短路径和长路径的辐射特性分别由路径长度和处于低层大气的路径大气参数占主导影响；白天和夜晚的辐亮度分别在36 km和34 km为最大值，在75 km和85 km处为极大值。研究结果可为中高层大气背景红外探测提供理论支持。
中高层大气 红外辐射 临边背景 红外成像 数据库 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0828005
四川师范大学物理与电子工程学院，四川 成都 610068
采用数值模拟方法研究了大气非线性自聚焦效应对艾里光束上行大气传输特性和光束质量的影响，结果表明：大气自聚焦效应随着艾里光束指数截断因子的增大而增强，并会导致艾里光束的实际焦点向靶面移动。采用预散焦方法可使靶面上的光束始终保持艾里轮廓，同时可使靶面光强得到显著提高。本文得到了预散焦的焦距公式，并证实了其有效性。研究发现：预散焦后，即使光束功率远远超过了自聚焦临界功率，非均匀大气的自聚焦效应也不会破坏艾里光束的自加速特性，有助于地基激光束避开障碍物，清除空间碎片。在相同的功率下，艾里光束相比高斯光束在碎片靶面上有更高光强，并且艾里光束具有更强的抵抗自聚焦效应的能力。因此，艾里光束比高斯光束更适合地基激光对空间碎片的清除。
1 1.北京交通大学 理学院, 应用微纳米材料研究所, 北京 100049
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海200050
基于声表面波(Surface acoustic wave, SAW)技术的无线无源器件是在极端条件下工作的首选传感器, 其中压电衬底在高温环境下的稳定性是影响SAW器件性能的关键因素。钽酸镓镧(LGT)晶体因电阻率高和稳定性好, 是SAW器件理想的高温压电衬底。为了全面评估LGT晶体的高温电阻率和材料系数稳定性, 本工作分别测试了纯LGT和掺铝钽酸镓镧(LGAT)晶体在氧气、氮气和氩气气氛中的高温电阻率, 并采用超声谐振谱(Resonant ultrasound spectroscopy, RUS)技术定征了纯LGT晶体高温全矩阵材料系数。电阻率测试结果显示, 在不同气氛下LGT晶体的高温导电行为明显不同, 纯LGT晶体在400~525 ℃范围内, 氮气中的电阻率最高; 在525~700 ℃范围内, 氩气中的电阻率最高, 700 ℃电阻率高达2.05×106 Ω·cm; 而对于LGAT晶体, 在整个测试温度区间氮气中的电阻率均最高, 700 ℃电阻率达1.12×106 Ω·cm, 略低于纯LGT晶体。高温全矩阵材料系数测试结果显示, 室温~400 ℃范围内, LGT晶体的电弹性能稳定, 随着温度升高, 弹性系数略有降低, 而压电系数d11几乎保持不变。以上结果表明, LGT晶体在高温下具有非常高的电阻率和材料稳定性, 适合作为压电衬底用于制备高温压电器件。本工作的研究结果为LGT基高温压电器件的设计与制备奠定了基础。
钽酸镓镧 高温电阻率 封装气氛 高温材料系数 langatate high temperature resistivity encapsulation atmosphere high temperature material coefficient 红外与激光工程
2023, 52(11): 20230229
红外与激光工程
2023, 52(11): 20230125
碳卫星超光谱探测仪聚焦于陆地生态系统植被碳汇和森林蓄积量探测， 利用670~780 nm谱段的光谱绘制植被荧光的时空分布规律， 满足全球碳汇定量监测、 森林植被生产力评估的需求。 如何有效地标定超光谱探测仪的光谱参数， 建立探测仪和被测光谱信息的对应关系是定量化反演的基础。 通过光栅方程推导了超光谱探测仪的光谱数据误差模型， 并结合光学系统的弥散斑分布函数， 卷积得到了超光谱探测仪的仪器线形函数（ILS）分布规律。 仿真结果表明， 仪器线形函数是缓慢变化的， 在一个小光谱范围内ILS可以近似认为是一致的; 波长误差是一个系统误差， 主要由光栅制造误差等引起， 采用已知波长特征谱线标定的方法可以消除。 通过真空罐模拟在轨环境， 建立了包含可调谐激光器、 波长计、 旋转散射片、 积分球和平行光管等装置的光谱定标系统， 提供线宽小于0.001 nm均匀分布的单色标准光源， 利用自动化数据处理系统测试探测仪响应曲线和单色标准光源的对应关系， 标定超光谱探测仪的光谱参数。 超光谱探测仪光谱采样率2.5像元左右， 单波长光谱的有效数据点少， 无法给出ILS函数的精确数据， 以0.015 nm波长间隔单波长扫描的新方法将光谱采样密度提高2个数量级， 高斯拟合获取光谱分辨率， 数据处理结果表明超光谱探测仪光谱分辨率为0.24~0.26 nm。 通过选取特征波长和三次多项式拟合的方法得到波长定标方程， 给出了全部像元的光谱定标数据， 选取特征波长验证拟合波长残差， 结果表明定标精度优于0.005 nm。 为了进一步验证光谱定标结果， 开展了超光谱探测仪的地面推扫成像实验， 利用中国科学院空天院怀来试验站的测试平台， 获取了松树林和石子路面的光谱数据， 超光谱探测仪测量的大气吸收线和HITRAN模拟的大气吸收线比对结果表明， 氧吸收线中心波长偏差小于0.003 nm， 证明超光谱探测仪光谱定标精度满足指标要求。
超光谱成像 定标 光谱分辨率 大气吸收 Hyperspectral imaging Calibration Spectral resolution ILS ILS Atmosphere absorption 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1556
1 长治学院 物理系, 山西 长治 046011
2 长治学院 光场调控研究所, 山西 长治 046011
3 西安邮电大学 通信与信息工程学院, 陕西 西安 710061
光束在湍流大气中传输, 由于大气湍流的存在, 光束的波前随着传输距离的增加将会破坏, 不利于在终端对光束携带信息的提取。论文基于广义惠更斯-菲涅耳原理, 以携带有一端被限制的刃型位错和光涡旋的高斯光束为研究对象, 探究了湍流大气传输中一段被限制的刃型位错和光涡旋的演化行为。研究发现, 由于刃型位错的弯曲度不同, 随着光束传输距离的增加, 一端被限制的刃型位错消失或者消失后演化为光涡旋。随着传输距离的继续增加, 光束波前将会出现由大气湍流诱导产生的光涡旋。当光束传输足够远, 大气湍流诱导产生的光涡旋会和刃型位错演化的光涡旋发生湮灭, 或者大气湍流诱导的光涡旋之间发生湮灭。光束本身携带的光涡旋在整个传输过程中稳定传输。论文研究结果在光通信中具有重要的应用。
光涡旋 刃型位错 湍流大气 拓扑荷 optical vortex edge dislocation turbulent atmosphere topological charge
1 南京信息工程大学大气物理学院中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学气象灾害预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
研制了一套使用种子源直接放大激光器和时分复用收发的新型瑞利多普勒激光雷达。激光器通过对种子源进行多级光纤和固体功率放大，获得了稳定的60 W高平均功率脉冲激光输出。脉冲激光通过时分复用发射系统向垂直、正西和正北方向交替发射进入大气，从三个方向接收到的激光大气回波信号经过光纤合束后送入同一套碘分子吸收池中进行多普勒鉴频。基于上述系统设计开展了系统探测性能仿真研究和实验验证对比分析，仿真结果表明，系统能够在时间分辨率为30 min、垂直高度分辨率为1 km条件下完成大气温度和经纬向水平风速的同步测量，其中60 km高度处温度理论测量误差为1.99 K，经纬向水平风速理论测量误差为4.78 m/s。系统的验证实验结果表明，60 km高度处大气温度的实测误差为2.4 K，经纬向水平风速的实测误差分别为8.7 m/s和 8.5 m/s，反演结果与大气模式和卫星探测结果进行对比呈现了较好的一致性。
传感器 激光雷达 中高层大气 瑞利散射 碘分子吸收池 多普勒效应 光学学报
2023, 43(24): 2428001
