对太瓦 (TW) 飞秒激光在自然大气中传输时产生的超长等离子体通道的物理性质进行了研究。试验结果证实 2 TW 飞秒激光在大气中自由传输时实 现了 2 km 长的等离子体通道, 长距离传输后通道内的等离子体电子密度约为 1011 cm-3, 仍然保持良好的导电性。高压放电试验也证实了有等离子体通道存在, 可以将放电电压降低 30%, 说明激光诱导高压放电的有效性。本次试验研究表明长度为公里量级、长寿命大气等离子体通道的实现是可行的, 将为激光引雷、大气监测、人工干预气候等实用化应用扫清技术上的障碍。

高能激光在实际大气中的传输是一个涉及到光传播机理、大气光学特性以及激光与大气相互作用的复杂过程, 评估高能激光大气传输性能, 不仅需要开展激光传输机理研究, 建立高能激光大气传输数理模型, 还需要对实际传输路径中的大气光学特性进行测量和分析。针对高能激光系统工程应用的迫切需求, 简要介绍了高能激光大气传输性能评估研究的方法和发展现状, 重点讨论了影响高能激光大气传输评估准确性的大气参数测量不确定性问题, 指出了高能激光大气传输评估应重点关注的研究方法、测量的大气参数及评估技术发展的趋势。

介绍了激光光束经过湍流大气以及散射介质的传输特性。当激光在湍流大气中传输时, 湍流大气的扰动会影响光束的传输特性。此时, 激光光束仍然保持光束的特性, 因此可以应用扩展的 Huygens-Fresnel 衍射积分研究激光在湍流大气中的传输特性。研究表明, 当光束在湍流大气中传输时, 光束的光斑大小、偏振态、空间相干度、闪烁因子等参数发生了变化。这些参数的变化除了与大气湍流性质有关外, 还与光束的特性有关。因此选择合适的入射光束可以减低湍流大气对光束传输的影响。当相干激光经过散射介质后, 会呈现散斑。通过调控入射激光的波前, 可以使得激光经过散射介质后聚焦。介绍了实现激光经过散射介质聚焦的技术, 包括基于迭代反馈的波前整形技术、传输矩阵, 以及数字相位共轭技术等。最后, 展望这些技术应用于激光在实际大气中的传输, 实现激光穿云透雾的目标。

通过多层相位屏法, 针对海上大气环境做了大量激光传输数值仿真, 获 取了 2000 组激光初始参数、大气环境参数、大气光学参数与接收面处光场评价因子的仿真数据。基于支持向量机, 提出了一种激光大气传输效能评估方法。通过输入激光初始半径、激光初始功率、能见度、大气折射率结构常数等参数, 可以快速输出接收面处光斑半径、环围功率、环围功率比等光场评价因子, 实现对激光大气传输效能的评估。研究结果表明, 支持向量机能较好地拟合出输入与输出之间的多元回归关系, 预测结果与仿真数据之间的平均相对误差基本在 2%以下, 预测精度较高。研究结果可为激光在大气中传输效能评估提供一定的理论依据。

大气相干激光通信技术在工程上已经发展到进入实用化部署阶段, 但是其理论发展仍不完善, 对大气相干激光通信系统理论以及其中必须涉及的自适应光学技术和大气闪烁问题的研究进展进行了回顾和分析。针对大气湍流对光束振幅扰动以及自适应光学相位校正的随机过程进行精确分析是当前大气相干激光通信理论体系化的主要挑战, 且研究方法必须全面采用概率分析的方法。目前, 自适应光学相位校正的概率分析的基本框架已经形成, 面向大气相干激光通信的闪烁概念必须扩展包含大气散斑和总功率起伏两种内涵, 这是未来研究的重点和难点。

大气探测激光雷达利用激光与大气的相互作用来主动遥感测量大气参数, 在大气科学研究、环境监测、气象预报等领域发挥着越来越重要的作用。大气密度随高度呈指数下降, 对流层以上的高层大气密度稀薄, 探测难度较高, 探测手段较少, 探测数据也较少。随着激光雷达技术的发展, 激光雷达对高层大气密度、温度、风场等参数的探测能力逐步提高, 获得了较为丰富的高时间、空间分辨的观测数 据, 并应用于中高层大气模式发展、临近空间环境保障等领域。系统地介绍了高层大气激光雷达探测机制、国内相关激光雷达的探测能力及台站建设情况, 并对高层激光雷达的发展趋势和应用前景进行了展望。

风场是水循环、碳循环、气溶胶、污染气体及雾霾的主要动力, 也是大气湍流、风能发电厂、数值天气预报和环保等领域的重要参数。多普勒激光雷达利用多普勒效应, 通过探测发射激光的频率漂移, 可以获得大气风场参数, 因此在众多领域具有重要的应用。首先介绍了多普勒效应和测风激光雷达技术的基本原理, 然后分别从原理和实际应用方面对多普勒测风激光雷达进行了分类。进而系统介绍了相干探测与非相干探测、连续光探测与脉冲光探测、单边缘技术与双边缘技术、FP 条纹与 Fizeau 条纹技术、VAD 与 DBS 扫描等相关技术。最后简要地介绍了地基、机载与星载测风激光雷达的实例, 以及测风激光雷达新技术, 并对多普勒测风激光雷达技术进行了总结与展望。

粒子光散射在众多科学领域有着极其重要的作用, 早期关于粒子光散射的计算大多基于球形粒子假设。但粒子的形状通常并不是完美的球形, 有些粒子还会聚集在一起, 使得外形结构变得更加复杂。Lorentz-Mie 散射理论通常用来计算球形粒子散射, 对于非球形和复杂结构粒子的散射相函数计算则会带来较大偏差。此外, 球形粒子假设对于退偏振效应也无法进行有效的分析。随着计算机算力的提升和算法的改进, 非球形粒子的散射问题除了有限的观测实验研究外, 大多采用数值计算的方法。综述了非球形粒子散射的数值计算方法, 分析了各自的优缺点, 并介绍了非球形粒子光散射实验室测量方法, 以及其在光学、地球物理学、遥感科学、天体物理学、工程学、医学和生物学等领域中的应用。

光束在大气湍流中传输时, 可通过调节部分相干光束的空间关联结构实现传输性质的调控。在总结特殊关联部分相干光束大气湍流传输相关基本理论的基础上, 分别介绍了特殊关联部分相干光束的产生方法以及空间关联结构的测量方法, 讨论了特殊关联部分相干光束在大气中传输所产生的物理效应, 对于激光大气传输有一定的参考价值。