杨子宁 1,2,3,4王蕊 1,2刘青山 1,2孙健勇 1,2[ ... ]许晓军 1,2,3,4,*
1 国防科技大学 前沿交叉学科学院, 长沙 410073
2 国防科技大学 量子信息学科交叉中心, 长沙 410073
3 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 长沙 410073
4 高能激光技术湖南省重点实验室, 长沙 410073
半导体泵浦亚稳态惰性原子激光是高能光泵浦气体激光领域具有潜力的新方案。已有报道均在约束的放电空间内产生亚稳态原子，功率放大受到多因素制约。为突破现有方案的局限，采用大气压等离子体射流方式在羽流区域产生高浓度亚稳态氩原子（1014 cm−3量级），将放电和激光区域空间分离，利用811 nm窄线宽半导体激光器作为泵浦源，基于泵浦、激光和气流相互垂直的结构实现912 nm激光输出，有效拓展了该型激光体系的功率定标放大能力。
高能激光 光泵浦气体激光器 半导体激光器 亚稳态原子 等离子体射流 high energy laser optically pumped gas laser diode laser metastable noble gas atom plasma jet 强激光与粒子束
2022, 34(2): 021001
1 中国科学院大连化学物理研究所化学激光重点实验室, 辽宁 大连 116023
2 西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
3 中国科学院大学, 北京 100049
近年来光泵浦惰性气体亚稳态激光在高能激光领域逐渐得到人们的关注。搭建了一台高压纳秒脉冲放电产生惰性气体亚稳态粒子的装置,该装置增益尺寸较长,便于后续开展激光增益和放大实验。利用窄线宽可调谐连续光源探测了该装置放电生成的Kr亚稳态(5s[3/2]2)粒子数浓度,达1.3×10 12 cm -3,该状态持续时间约为3 μs,满足后续激光体系运行条件。测量过程中出现了吸收饱和现象,给粒子数浓度拟合带来了不确定性,设计的复合拟合方法解决了这一问题。
中国科学技术大学 地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026
亚稳态氦激光雷达通过发射调谐至亚稳态氦原子的1 083.0 nm共振线的激光来探测热层和外逸层的亚稳态氦原子数密度。能够覆盖的探测范围约为200~1 000 km。在这个高度范围内，亚稳态原子密度较小，随着季节的变化，数密度最大通常不超过1 cm-3。中国科学技术大学目前正在研制基于六个1 m口径望远镜阵列和高能量1 083 nm脉冲激光器的亚稳态氦共振荧光激光雷达。雷达的望远镜有效面积约4.8 m2；1 083 nm脉冲激光器采用光参量震荡(OPO)和光参量放大(OPA)技术，以532 nm高能量脉冲作为泵浦光，最终输出单模窄带宽(300 MHz)的1 083 nm脉冲光；接收端采用深度制冷(-120 ℃)的InGaAs探测器，量子效率大于30%，暗计数可控制在100 s-1以内；滤波模块采用干涉滤光片和FPI超窄带滤波串联的方式，最终将滤波半宽压缩到10 GHz左右，峰值透过率55%。综合以上关键技术指标，在数密度较大的季节，信噪比可能达到约400，在数密度较小的季节，信噪比约为10。
激光雷达 亚稳态氦 大气遥感 Lidar metastable helium atmosphere remote sensing 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200323
中国科学技术大学 地球和空间科学学院,合肥 230026
针对收发分置氦激光雷达系统,基于连续激光束成像技术,获得了不同收发分置距离下对应的距离分辨率大小,以及单列CCD像素元与高度的对应关系和距离分辨率随高度的变化曲线.对比分析了在不同亚稳态氦原子密度的条件下,系统单列像素元接收到的光子数与探测高度的对应关系,并获得了信噪比和相对误差随探测高度的变化情况.仿真结果表明,增加积分时间可以提高信噪比,在400~1 000 km的高度范围内,积分时间为2 h,距离分辨率为50 km时,信噪比在10~65范围内,相对误差小于10%.研究结果表明采用收发分置氦共振荧光激光雷达系统可实现对热层200~1 000 km亚稳态氦密度的探测,为进一步完善优化收发分置氦共振荧光激光雷达系统的方案提供参考.
大气光学 氦测密度激光雷达 共振荧光 亚稳态氦 热层 遥感 数值模拟 Atmospheric optics Helium density lidar Resonance fluorescence Metastable helium Thermosphere Remote sensing Numerical simulation 光子学报
2019, 48(10): 1001001
1 中国空间技术研究院 通信卫星事业部, 北京 100094
2 四川大学 电子信息学院, 成都 610064
在跨时钟域数据传输中, 常因违反触发器的建立时间和保持时间要求而产生亚稳态现象, 导致数据误码。为对亚稳态发生过程进行直观观测, 利用所搭建的亚稳态观测平台, 在建立时间区域对TTL维持阻塞型集成边沿触发器74LS74芯片和CMOS传输门型集成边沿触发器74HC74芯片分别进行了误码测试。测试结果表明, 两芯片性能接近, 在建立时间0.9~1.6ns区间存在0%~100%误码过渡带, 能观测亚稳态过程的直观波形。测试过程中, 发现触发器输入电平上跳变时, 误码率在以上区间存在稳定的单调变化曲线。当触发器输入电平下跳变时, 误码率会从0%瞬变到100%, 实验未观测到过渡带。输入下跳变时, 当延迟参量单向递增或递减时, 瞬变区域不一样, 存在回差现象。
触发器 亚稳态 建立时间 误码率 flip-flop metastable state setup time bit error rate
1 中国科学技术大学地球与空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室, 安徽 合肥 230026
为满足氦(He)激光雷达系统的探测指标, 实现200～1000 km大气中He原子密度的测量, 对He密度探测激光雷达系统的参数和性能进行设计(主要包括激光发射部分、光学接收部分、数据采集和控制部分), 对比在不同亚稳态He密度、不同积分时间、不同距离分辨条件下系统接收光子数与距离的关系, 其中亚稳态He的密度对信号强度的影响最大。用较低高度的瑞利散射信号标定共振荧光信号, 获得相对数密度曲线和信噪比(SNR)曲线。仿真结果显示, 在积分时间为30 min, 距离分辨为50 km, 亚稳态He原子［He(23S)］密度最低的情况下, 在250～530 km高度范围内, 相对误差小于2%, SNR大于40。结果证明系统设计的参数可以满足高层大气He原子密度的探测要求, 对将来系统的实现有一定参考价值。
遥感 氦测密度激光雷达 热层 亚稳态氦 共振荧光
大连理工大学物理与光电工程学院三束材料表面改性教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
利用可调谐二极管激光吸收光谱技术对低气压氩气介质阻挡放电等离子体进行诊断, 重点考察了Ar亚稳态1s5和1s3的数密度和气体温度随放电电压, 气压, 流量, 极板间距, 以及随N2配比的变化情况。 实验基于朗伯-比尔（Lambert-Beer)定律, 通过计算吸收谱线的吸收峰面积求取Ar亚稳态的数密度, 同时对谱线进行Voigt拟合得到多普勒展宽, 进而求出气体温度。 Ar亚稳态主要由电子碰撞产生, 但同时电子也会碰撞亚稳态发生猝灭作用, 从而使数密度减少; 气体温度则与等离子体的实际功率、 电子的状态以及粒子之间的碰撞有关。 实验结果表明在本实验条件范围内, Ar亚稳态数密度和气体温度随放电电压和流量的增大都先增大, 之后逐渐趋于平缓, 但两者随流量的变化幅度都较之随放电电压的小, 增长较缓慢。 随气压的升高, Ar亚稳态数密度和气体温度先增加并达到一个极大值, 而之后逐渐降低。 实验数据表明, 气压对谱线展宽有较明显的影响作用。 适当增大极板间距, Ar亚稳态数密度明显降低, 但气体温度却有所升高。 N2的加入对亚稳态有很强的猝灭作用, 05%的N2就会使数密度下降50%, 但随着N2浓度的进一步增大, 其数密度不再明显降低。
吸收光谱 介质阻挡放电等离子体 Ar亚稳态数密度 气体温度 Absorption spectroscopy DBD plasma Density of Ar metastable state Gas temperature
华中科技大学 武汉光电国家实验室, 武汉 430074
利用发射光谱法测量大气压He-Ar混合气体射频容性放电中的Ar亚稳态1s5(3s23p54s［3/2］2)粒子数密度。在不同的放电功率和气体组分下测量放电等离子体中的重要参数: 气体转动温度、电子激发温度和Ar亚稳态1s5粒子数密度。结果表明: 气体温度在不同放电功率及Ar气压在5×103 Pa以内时变化不大,范围为300~350 K; 电子激发温度随着放电功率的增加而增加,并且在Ar气压为4×103 Pa时最大,在放电功率为70 W时达到0.58 eV; 1s5粒子数密度随着放电功率以及电子激发温度的增加而增加,在放电功率为70 W、Ar气压为4×103 Pa时达到1.53×109 cm-3。
光泵惰性气体亚稳态激光器 大气压He-Ar射频放电 氩亚稳态1s5粒子数密度 optically pumped metastable rare gas atoms laser atmospheric He-Ar radiofrequency discharge Ar 1s5 particle number density 强激光与粒子束
2017, 29(5): 051002
国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 长沙 410073
建立了半导体泵浦亚稳态惰性气体激光器(DPRGL)速率方程模型,以Ar为例,仿真分析泵浦强度、亚稳态原子数密度以及增益介质长度对DPRGL工作性能的影响.结果表明：高泵浦强度(约kW/cm2)条件下DPRGL理论上具有大于55%的光-光效率;亚稳态原子数密度和增益介质长度对激光器性能影响具有等价性;实际中需综合优化泵浦强度、亚稳态原子数密度、增益介质长度等激光器参量以实现激光器最大的光光转换效率.
速率方程 气体激光器 亚稳态原子 惰性气体 rate equation gas laser metastable atom rare gas 强激光与粒子束
2015, 27(6): 061017
