激光系统的发射光和跟踪光波长通常会有所不同, 在近地面开展发射光轴和跟踪光轴的高精度定标时, 需要考虑水平传输路径上的大气蒙气色差。理论分析得到水平大气蒙气色差与大气温度垂直梯度、气压垂直梯度、激光波长及传输距离之间的关系, 进而分析了近地面水平大气蒙气色差带来的光轴定标误差。利用自动气象站测量了不同高度的大气温度和气压, 计算分析表明近地面 1 km 水平大 气对 1 μm 和 5 μm 两个波段可能会造成 3 μrad 的蒙气色差, 引起 约 1.5 μrad 的定标误差。研究表明为减小光轴定标误差, 需监测近地面水平大气蒙气色差, 并选择在大气蒙气色差较小的时刻进行光轴定标。

相干性是激光束的一个重要特性, 具有低空间相干性的激光束称为部分相干光束; 关联结构 (函数) 是部分相干光束的一个特有参量, 通过调控相干性可构建具有特殊关联结构的部分相干光束。在湍流大气中, 特殊关联结构部分相干光束不仅展现出诸多奇特传输性质, 而且能够进一步有效抑制大气湍流引起的光强及相干度分布退化、光斑漂移和光强闪烁等各种湍流负面效应, 在自由空间光通信、激光雷达和激光遥感等方面有重要应用前景。近年来特殊关联结构部分相干光束大气传输研究受到越来越多学者的关注。回顾了特殊关联结构部分相干光束大气传输研究方法和发展历程, 举例展示了厄米系列特殊关联结构部分相干光束的大气传输研究成果。

目标高分辨光学成像在众多光电工程领域中具有重要的应用价值。然而, 在很多目标观测场景中, 光波都要经大气进行传输, 从而导致成像质量的退化, 克服复杂大气干扰获取高质量图像一直以来都备受各国学者的关注。特别是近年来随着激光技术的进步, 由于激光雷达在距离分辨、三维成像等方面的优势, 主动成像技术也取得了很大发展, 其中大气的影响和校正同样是一项不容忽视的问题。大气对成像的影响主要包括两个方面:大气湍流和大气悬浮粒子。针对这两方面对成像的影响进行分析, 同时对国内外学者发展的消除大气影响、进行高质量成像的主要技术进行了简要介绍, 并结合本课题组在相关领域的长期研究, 对几个值得关注的方面进行了总结和展望。

鉴于常规成像系统激光防御性能与成像质量之间的矛盾, 设计了一种基于像面离焦的波前编码系统, 分别围绕该技术反激光侦察与抗致盲的机理和效能开展了相关研究工作。首先利用菲涅尔-基尔霍夫衍射理论, 建立了像面离焦波前编码成像系统激光传输模型; 基于该模型, 评估对比了系统各平面的光场分布特征与激光防御性能, 并进一步研究了系统参数的优化规律。结果表明, 对比常规成像系统, 离焦波前编码系统能在保持较好成像质量的同时, 将回波探测器接收功率与像面最大单像素入射功率分别降低两个和一个量级以上, 大幅提升了系统的反激光侦察与抗致盲性能。

地基光学望远镜对天观测时, 大气湍流扰动引起星光波前畸变将导致其实际分辨率远低于物理极限, 这是急需解决的科学技术问题。采用钠信标激光激发海拔 80～105 km 大气电离层中的钠原子可产生高亮度的钠导引星, 可作为信标探测大气对光波的扰动, 再利用自适应光学技术进行校正, 能使望远镜克服大气扰动影响, 获得近衍射极限的分辨率。介绍了钠信标激光的特性与国内外研究进展, 尤其是中国科学院理化技术研究所激光物理与技术研究中心研制的钠 D2 线双峰谱型匹配的微秒脉冲钠信标激光器及其在大型望远镜上的应用情况。

基于钠层的 589 nm 激光导引星技术, 结合地基光学望远镜自适应光学系统, 可以有效补偿大气扰动造成的光信号波前畸变, 在天文观测、星地激光通信、空间碎片跟踪等诸多领域有着重要的应用前景。介绍了一种新型的 589 nm 钠导星激光器技术:金刚石拉曼钠导星激光器。金刚石晶体超高的热导率和无空间烧孔效应的增益特性是提高激光输出功率和实现单纵模运转的关键, 目前已获得 22 W 的连续波单频钠导星激光器输出。金刚石拉曼激光器技术提供了一种实现高功率钠激光输出的高效方案, 并为高功率微秒脉冲、高重频脉冲、频率啁啾等新型钠导星激光器系统提供了新的思路。

分布式全息孔径数字成像技术是利用数字全息技术记录子孔径的复振幅信息, 再通过孔径间复振幅拼接实现综合成像的一种主动成像技术。在工程应用中, 成像系统的装配误差会使子孔径复振幅间产生形位误差, 进而使孔径综合后的图像变模糊。在已有的方法中, 大多是以相似变换模型校正形位误差, 但是复振幅与理想复振幅间是复杂的投影变换关系, 所以基于相似变换模型的方法不再适用。首先提出一种在像面校正复振幅间形位误差的方法, 该方法先通过像面图像配准对像面复振幅进行投影变换校正, 再对校正后的像面复振幅进行逆菲涅尔衍射, 得到形位误差校正后的瞳面复振幅。进而搭建了分布式全息孔径成像系统, 并采用在像面校正复振幅间形位误差的方法有效地校正了形位误差。

近地面激光大气传输中, 由于强湍流的影响, 畸变波前中存在相位涡旋, 使得自适应光学系统校正效果下降甚至失效。通过建立近地面激光大气传输模型, 分析了不同闪烁强度下畸变波前中相位涡旋分布特性, 以及自适应光学系统校正效果。针对近地面相位涡旋不能被有效校正的问题, 分析了波前畸变被完全复原时不同单元数变形镜对含相位涡旋波前畸变的校正效果。研究表明: 采用直接斜率法的自适应光学系统只能校正畸变波前中的连续相位, 不能校正相位涡旋组成的不连续相位; 含相位涡旋的波前畸变被有效复原后, 连续表面变形镜能够校正不连续相位, 现阶段限制自适应光学系统近地面校正效果的关键因素是波前畸变能否被有效复原。

大气粒子多角度散射特性包括散射函数及散射相 矩阵 (也称“Müeller矩阵"), 两者不仅是辐射传输模拟的基本输入参数, 同时也是大气粒子微物理性质的载体。由于其基础性地位, 大气粒子多角度散射特性测量技术一直是大气科学领域的研究热点。对大气粒子散射函数及 Müeller 矩阵测量技术的研究现状进行了综述, 主要内容包括以下四个方面: (1) 从大气粒子微物理特征的不确定性、数值计算方法的局限性和复杂性出发, 分析了大气粒子光散射研究中存在的困难, 指出发展大气粒子散射函数及Müeller矩阵测量技术的必要性; (2) 概述了可见近红外波段的多角度散射观测技术研究现状, 将可见近红外波段测量仪器分平面旋转接收型、固定接收型和镜面反射型三类, 重点讨论了不同设计方案的优缺 点; (3) 介绍了基于微波比拟技术测量单粒子散射特性的研究现状及其优势和劣势; (4) 总结了多角度散射特性测量技术研究中存在的问题, 并展望了多角度散射测量技术的发展方向。本工作可为后续的大气粒子光散射测量技术研究提供一定参考。

整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参数, 在激光大气传输、红外辐射传输的研究以及光电系统的工程应用中都具有非常重要的研究意义。介绍了激光外差技术的测量原理, 并着重介绍了利用激光外差光谱技术高分辨测量整层大气透过率的原理和方法, 以及同步反演水汽廓线分布、柱浓度的方法。进而介绍了课题组研制的 4.5 μm、3.53 μm 波段高分辨率激光外差光谱仪, 光谱分辨率分别达到了 0.006 cm-1、0.002 cm-1, 以及利用这些测量装置在合肥开展的整层大气透过率测量与水汽浓度反演的典型结果。最后对激光外差技术在光电系统工程应用中的后续发展进行了展望。

大气湍流是影响激光大气传输的主要因素之一, 由于实际大气湍流的不可控, 所以开展激光大气传输效应研究时需要在实验室建立稳定、可控的模拟大气湍流。此外, 同时对多个大气湍流参数进行实时测量也是大气湍流参数测量技术中一个很有意义的研究课题。利用热风受迫对流在实验室研制了大气湍流模拟装置, 研究了大气相干长度、大气湍流强度、内尺度等大气湍流参数的实时测量技术; 在几何光学近似的条件下, 利用光学方法测量了经实验室模拟湍流大气传输后的光束强度起伏和到达角起伏, 从而获得实验室模拟大气湍流的参数, 并通过分析实验测量数据, 给出大气湍流参数的测量不确定度; 最后, 对实验测量数据与相关文献测量数据进行了比对。结果表明所建实验室大气湍流模拟装置可用于大气湍流参数实时测量技术研究和实验室激光大气传输效应研究。