“基于光丝激光雷达的大气污染多组分监测技术研究”专题
——刘伟伟
[摘要]作为一种先进的大气污染监测技术，光丝激光雷达主要的物理机制和可行性虽然已经得到验证，但在应用层面面临着探测距离远、大气环境复杂等艰巨挑战。针对这些问题，在国家重点研究计划的支持下，南开大学现代光学研究所牵头，组织北京空间机电研究所、华东师范大学、上海理工大学等单位... ...
查看详情南开大学现代光学研究所
[摘要]光丝内部的超高钳制光强可诱导大气中的原子、分子等发生隧道电离或多光子电离，并辐射指纹荧光谱。得益于其在复杂大气环境中能够远距离传输的特点，飞秒激光成丝在大气远程探测方面具有广阔的应用前景。光丝诱导物质荧光的空间分布特性与成丝过程中激光、等离子体等参数密切相关，对于理解光丝内物理过程及调控光丝、提升远程探测信噪比等具有重要意义。综述了光丝诱导荧光在侧向、背向及前向三个重要方位的空间分布的研究进展，详细讨论了基于侧向分布表征光丝内光强及等离子体分布的方法，以及实验条件对荧光空间分布的影响，并对放大自发辐射现象及前向、背向远场空间分布的研究进展进行了介绍。最后对飞秒激光成丝诱导荧光空间分布的研究趋势进行了展望。
南开大学现代光学研究所
[摘要]高强度的飞秒激光在非线性介质成丝过程中会产生一系列非线性效应，如强场电离、转动拉曼、高次谐波、激射等，这些非线性效应与强场下分子的复杂运动有关。研究强场作用下的分子动力学问题将有助于更好地理解飞秒激光成丝过程中非线性效应背后的物理机制。综述了近年来飞秒激光在空气中成丝时主要分子动力学特性的研究进展，包括分子准直、分子电离、电子-离子复合以及分子能级的粒子数布居。最后对强场与分子相互作用研究所面临的机遇以及挑战进行了展望。
太原科技大学应用科学学院山西省光场调控与融合应用技术创新中心
[摘要]强飞秒激光在空气中传输时，其传输距离会远远超越衍射极限，产生高强度光丝和低密度等离子体，并伴随超连续白光的辐射，这为远距离遥感探测大气污染物提供了一种有效的技术途径。面向天基遥感应用，概述了强飞秒激光长距离传输的研究进展，包括光丝传输的基本研究方法、产生长距离光丝的方法、调控光丝特性的手段以及飞秒激光光丝超长距离的传输，并对光丝在大气遥感应用中的优越特性和需要解决的基础科学问题进行了总结。
南开大学现代光学研究所
[摘要]超快激光在透明介质传输中会导致长程无衍射传输的成丝现象。伴随着丰富的非线性光学效应，激光脉冲光谱会被极大展宽，覆盖从微波到紫外的超宽范围，被称为超连续谱。飞秒光丝辐射超连续谱具有宽光谱、高方向性和可调谐等优势，在吸收光谱检测、远程气体检测、脉冲压缩和少周期脉冲形成等领域中具有重要应用，近年来被广泛关注，并取得一系列研究成果。基于此，围绕飞秒光丝辐射超连续光谱，从物理机制到调控方法，系统梳理了该领域的研究历程及最新进展。
华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室
[摘要]探索了一种基于两束相向传播飞秒光丝诱导荧光的光谱检测方法。实验结果表明，该方法能够延长荧光衰减时间，增强物质特征谱线强度。将该方法应用于盐水溶液中金属离子（K+、Na+、Mg2+）特征峰及含量的检测，其对Na+含量的检测灵敏度为4.3×10-6，较相同激发脉冲能量下的单丝诱导荧光检测技术提升了4倍，且具有良好的线性度。该方法有望为污染物检测提供新途径。
基于菲涅耳透镜和法布里-珀罗干涉仪的飞秒激光光丝NaCl 气溶胶荧光光谱探测
南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所
[摘要]设计并制备了口径为20 mm的法布里-珀罗干涉仪，该干涉仪在632.8 nm处的光谱分辨率为0.5 nm，自由光谱范围为9.0 nm。将口径为1.1 m的低成本菲涅耳透镜用作集光元件，使用自行搭建的法布里-珀罗干涉仪和工业电荷耦合器件（CCD）相机成功探测到30 m外平均功率为0.7 mW的汞灯光谱，实现了μlx量级的弱光光谱探测。采用增强型互补金属氧化物半导体（ICMOS）相机，可在10 m外检测到飞秒激光光丝诱导的质量分数为13×10-6的NaCl气溶胶的时间分辨荧光光谱。建立的基于菲涅耳透镜和法布里-珀罗干涉仪的光谱测量装置在空气污染物和有害物质远程检测中具有广阔的应用前景。
基于卷积神经网络和光丝诱导荧光光谱的NaCl 气溶胶定量分析
南开大学软件学院
[摘要]盐气溶胶是大气污染监测的重要对象。使用基于高功率超快激光的光丝诱导荧光光谱（FIFS）技术可以实现大气气溶胶的远距离快速定量分析，该技术有望成为下一代激光雷达的核心技术。用NaCl气溶胶模拟大气气溶胶污染物，针对自吸收效应导致光强与物质质量浓度偏离线性关系的问题，提出基于一维卷积神经网络的NaCl气溶胶质量浓度预测模型，并将其与多元线性回归模型、偏最小二乘回归模型、BP传播神经网络模型和定标曲线模型进行了对比实验。在各质量浓度（0.33~6.61 mg/m3）NaCl气溶胶全波段光谱数据集和特征波段光谱数据集上的实验结果表明：所提一维卷积神经网络模型在特征波段光谱数据集上的预测准确率为1，在泛化预测实验中的准确率为0.87，优于其在全波段光谱数据集上的结果，同时也优于其他模型。该模型对自吸收效应下的非线性定量分析具有良好的准确性和鲁棒性，为FIFS技术应用于大气气溶胶质量浓度预测分析提供了可靠的定量分析技术。
北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室
[摘要]飞秒激光成丝表征是光丝调控及应用的基础，成丝过程中光、声和热信号之间丰富的能量转换效应为利用声学和光学等方法探索和诊断光丝打开了大门。由于成丝过程中声波和荧光辐射微观物理机制的区别，两种信号与光丝物理参数之间的定量关系存在差异，然而目前仍缺乏两种方法的准确性对比研究。基于此，实验上通过研究脉冲能量对光丝空间分布的影响，系统对比了声学及荧光法两种光丝表征方法的异同。结果表明：两种方法都可以实现对光丝空间特征的表征，相比于荧光法，声学法对光丝起始和结束位置表现出更高的灵敏度，光丝内自由电子动能对光场强度的依赖性是造成差异的主要原因。
华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室
[摘要]检测灵敏度是衡量一项检测技术的重要参数。为了提高激光诱导击穿光谱技术（LIBS）的检测灵敏度，搭建了三光丝耦合诱导击穿光谱（TIBS）系统，对土壤中的微量铬元素进行检测，并将检测结果与等离子体光栅诱导击穿光谱（GIBS）系统、光丝诱导击穿光谱（FIBS）系统进行对比。TIBS系统的谱线信号强度比GIBS系统增强了2倍，比FIBS系统增强了7~11倍。研究了FIBS、GIBS、TIBS系统的谱线强度随样品位置的变化，发现TIBS系统的激发稳定性与GIBS系统相近。此外，在对土壤中重金属铬的定量研究中，发现FIBS、GIBS、TIBS系统对土壤中铬元素的检出限分别为22.18×10-6、8.68×10-6、5.06×10-6。TIBS系统相较于GIBS系统能进一步提高检测灵敏度。
南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所
[摘要]为满足激光雷达收集系统对远距离荧光信号探测要求，提出了一种基于多软件协同循环优化各环带面形的非球面环带菲涅耳透镜设计方法，并进行了透镜面形误差分析及透镜样件性能测试。利用该方法设计了一个直径为300 mm、焦距为670 mm的高收集效率菲涅耳透镜，使用LightTools软件对设计的菲涅耳透镜进行了光学仿真，收集效率可达52.2%。仿真和实验结果均表明：在400~950 nm光谱范围内，设计的菲涅耳透镜减小了透镜球差和色差对收集系统的影响，具有较高的能量收集效率，提高了系统光能利用率，满足系统性能指标要求。
南开大学现代光学研究所
[摘要]针对使用光纤光谱仪探测远距离宽光谱弱信号的应用需求，基于成像光学与非成像光学的混合设计方法，设计了大口径菲涅耳透镜聚光系统。系统由直径为1.1 m的菲涅耳透镜、匀光棒、全反射准直器和中继透镜组组成，接收端为直径为2 mm、数值孔径为0.22的光纤束。大口径菲涅耳透镜具有质轻体小的优点，解决了传统大口径透镜体积大质量大的问题。由匀光棒和全反射准直器组成的非成像光学元件后组可减小由菲涅耳透镜口径增大引起的球差和宽光谱色差，使光信号能量分布更加均匀且出射角度减小；中继透镜组进一步控制光束发散角和光斑尺寸，使光信号在光纤束端面高效率耦合，提高系统的光能利用率。仿真和实验结果均表明，所设计的后组系统能够减小像差影响，有效控制光束发散角度和光斑尺寸，提高光能利用率，满足光纤光谱仪对远距离宽光谱弱信号进行光谱探测的需要。
中国空间技术研究院
[摘要]为了实现光丝激光雷达系统的天基应用，开展了天基光丝雷达光谱仪光学系统设计，根据应用需求确定光谱仪光学系统构型主要由望远系统、狭缝、准直系统、平面光栅、成像系统构成；为了解决谱段宽可能引入的色差问题，光谱仪系统采用全反射结构设计；完成了光学系统与各项指标分析，通过设计可达到以下指标：光谱仪谱段范围为320~950 nm，光谱分辨率为2 nm，光谱仪最大色畸变为1.1 μm（即0.07 pixel），3个像元内的能量集中度大于96%，光学传递函数MTF在3.7 lp/mm下可达到0.99。所设计的光谱仪系统可用于星载大气成分高分辨率光谱探测。
