高环境适应性全固态激光器

针对车载激光雷达对激光器光源的应用需求,设计了一种高环境适应性、高重频的全固态激光器。设计上,采用ABCD传输矩阵理论对谐振腔进行计算和分析,实现了激光介质内泵浦光和振荡光最佳的模式匹配;实验上,进行了谐振腔的胶水稳定性测试和局部温控测试,从工艺上提高谐振腔的稳定性。通过测量激光器在高温、低温、振动等不同工况下的功率稳定性,证明了激光器具有高环境适应性。该激光器基于风冷散热实现了整机在-10 oC至55 oC温度范围内和公路谱振动条件下的稳定工作。在泵浦功率为8.31 W、声光调Q模式下,获得了脉宽为7 ns、重复频率为4 kHz、平均功率为0.95 W、单脉冲能量为0.24 mJ的532 nm绿光输出,满足激光雷达车载的应用需求。

激光二极管泵浦高功率Nd:YAG紫外激光器

对半导体侧面泵浦Nd:YAG准连续高功率紫外激光器进行实验研究,首次采用新颖谐振腔型对基波进行非线性转换获得稳定的355nm紫外激光输出。在主谐振腔中,3列相互呈120°放置的激光二极管线阵对中心处直径3mm的Nd:YAG晶体棒进行连续泵浦,实现了1064nm基频光稳定振荡;在子腔中,使用对基频光双程倍频双程和频的方法提高转换效率,实现了高功率准连续355nm紫外激光单向稳定输出;实验使用角度调谐的Ⅰ类相位匹配LBO晶体与Ⅱ类相位匹配LBO晶体,当调制频率5.4kHz时,355nm紫外激光最高平均输出功率1.89W,脉冲宽度小于65ns,1h内输出功率抖动低于7%。

2008年北京奥运期间大气颗粒物激光雷达观测研究

大气区域性污染及其区域输送研究是当前研究的热点问题,2008年北京奥运会的举行为研究北京及其周边大气区域输送提供了机会。主要利用双波长三通道激光雷达和风廓线雷达对颗粒物大气颗粒物区域输送进行研究,介绍了双波长三通道激光雷达的特征及主要参数,讨论了大气颗粒物质量浓度垂直分布的反演方法,并结合风廓线雷达数据论述了颗粒物区域输送的反演,实现了对大气颗粒物输送通量的估算和输送方向的判断。最后,对监测期间典型时间段的大气颗粒物区域输送通量和总量进行估算,并结合SO_2实测数据进行了对比分析。

基于二极管泵浦Nd：YAG激光器的紫外微加工系统研制

自行研制紫外微加工系统,系统有效工作范围120 mm×120 mm,最小加工线宽80μm,系统操作简单、运行稳定高效。实验中完成对Nd:YAG紫外激光器、XY扫描振镜以及F-Theta平场透镜设计。实现波长355 nm紫外激光最高平均功率2.13W稳定输出,1h内输出功率波动小于7%;XY振镜最大扫描角度±28°,线性响应速度0.35～0.5 ms;F-Theta视场角为±25°,有效焦距为250 mm。最后对系统存在的问题进行了分析。

北京春季强沙尘过程前后的激光雷达观测

利用激光雷达、PM2.5和地面气象要素等综合观测资料,分析了北京地区2012年3月30—31日的强沙尘过程前后的天气形势和PM2.5的污染特征,反演了雷达探测期间得到的消光系数,探讨了沙尘过程中气溶胶的时空分布特征及输送特征.结果表明:沙尘过境时,地面风速最大达到6 ms,沙尘沉降时ρ(PM2.5)增至289μgm3,相对湿度和能见度明显降低,大气低层逆温和近地面风速等气象条件对沙尘影响地面的时间和程度起到了重要作用;沙尘层雷达反演的气溶胶消光系数最大为0.96 km-1,偏振比最大为0.4,近地面消光系数变化与地面ρ(PM2.5)变化规律吻合较好,其探测可以精确反映不同天气形势下气溶胶的垂直结构和时空变化信息;高空输送至北京的沙尘以粗颗粒物为主,细粒子主要来源于本地及周边地区细粒子源;西北方向的内蒙及外蒙地区沙尘输送是导致此次北京强沙尘过程的主要原因.

基于差分吸收激光雷达的一种新的对流层臭氧浓度反演算法

差分吸收激光雷达探测对流层臭氧浓度时,气溶胶的干扰会造成较大的误差。提出了一种算法,该算法能够同时反演得到对流层臭氧浓度和气溶胶消光系数,减少气溶胶对反演结果的影响。使用实验数据,分析计算了气溶胶雷达比,气溶胶波长指数、标定点气溶胶后向散射比各种变化参数对反演结果的误差。结果表明,1km以下,各种变化参数造成的反演误差小于8%,1km以上臭氧浓度误差主要来源于信号和背景噪声,各种参数反演误差小于3%。最后给出了利用该算法得到对流层臭氧浓度和气溶胶的消光系数垂直廓线,并和传统的双波长差分算法反演结果作了比较分析。实验结果表明该算法是可行的,该算法可以减少气溶胶对差分吸收激光雷达测量结果引起的误差。

北京奥运前期典型天气喇曼激光雷达观测研究

以自行研制的双波长三通道拉曼激光雷达、振荡天平(PM10、PM2.5)、碳黑(BC)气溶胶分析仪及能见度仪相结合对"好运北京"2008年奥运会前期典型天气状况进行了测量与分析,给出了北京奥运主场馆上空气溶胶消光系数的垂直分布及其时空变化关系,计算了气溶胶的消光散射比,并分析了灰霾天气条件下大气能见度、气溶胶颗粒物PM10、PM2.5、BC及气溶胶消光系数垂直分布之间的相互关系.研究结果表明,灰霾天气条件下,大气能见度、颗粒物质量浓度与气溶胶颗粒物消光系数之间具有直接的相关性.

基于差分吸收激光雷达的云消除算法研究

差分吸收激光雷达测量臭氧浓度过程中,云层信号会造成对流层臭氧浓度剧烈的抖动,带来了很大的测量误差.本文提出了一种云消除算法,该算法通过插值云层高度区域内的臭氧浓度,有效消除了对流层臭氧浓度的剧烈抖动.通过阐述其理论基础,给出了其算法关键点,即云信号的识别和云高度的精确定位.根据云层消光系数的特点,通过设定气溶胶消光系数阈值获取云层高度信息,利用累加平均有效减少噪音造成的测量误差.结果表明,在精确确定云高、云底的基础上,运用线性插值算法对臭氧测量结果进行修正,可以有效克服云层对测量结果造成的急剧起伏.

532nm和355nm瑞利激光雷达观测中层大气的数据对比分析

分别采用532 nm和355 nm瑞利散射激光雷达对合肥地区25~40 km高度大气密度、压力和温度垂直分布进行了探测。532 nm瑞利激光雷达系统采用532 nm波长Nd：YAG激光器及400 mm口径卡塞格林型望远镜。355 nm瑞利激光雷达系统在532 nm瑞利激光雷达系统上进行改进,采用355 nm波长Nd：YAG激光器及4只400 mm口径卡塞格林型望远镜。通过实验对比得出,355 nm激光雷达系统信噪比高于532 nm激光雷达系统约6倍。355 nm激光雷达系统大气密度及压力探测值与当日气球探空数据比值波动小于532 nm激光雷达系统。355 nm激光雷达系统探测大气温度与当日气球探空数据偏差均值约为-2.14 K,最大温度偏差约为6 K,532 nm激光雷达系统探测大气温度与当日气球探空数据偏差均值约为-6.98 K,最大温度偏差约为9 K。两台激光雷达对比实验说明,改进的355 nm激光雷达系统对中层大气密度、压力和温度探测精度要高于532 nm激光雷达系统,改进的355 nm激光雷达系统探测性能优于532 nm激光雷达系统。

小型Mie散射激光雷达信号校准及能见度测量

详细介绍了小型Mie散射激光雷达近场信号的校准方法;数值模拟了理想情况下的平行光轴以及实际中光轴失调情况下的几何重叠因子,并对光轴失调的原因和影响进行了讨论;同时还介绍了利用多项式拟合确定几何重叠因子的实验方法,这种方法无需假设大气水平均匀。尝试利用Fernald迭代算法确定水平大气的消光系数,并与Vaisala能见度仪和AethalometerTM黑炭仪的测量结果进行了对比,具有很好的相关性,从而证明了上述方法的可靠性。

北京奥运期间工业污染源颗粒物输送通量的激光雷达监测

大气中悬浮的颗粒物是评价环境质量的重要指标,激光雷达是获得颗粒物时空分布的重要手段。近地面颗粒物消光系数与颗粒物质量浓度是相关的,利用震荡天平(TEOM)测量近地面的PM_(10)质量浓度,与雷达测量的消光系数建立经验关系,推算PM_(10)。质量浓度的垂直分布.风廓线雷达给出了不同高度上风场的变化,可以计算不同高度上颗粒物向城区的输送通量,最终可以估算总的收支.使用激光雷达技术对北京重要工业污染源进行了长时间的连续监测,获取了颗粒物输送通量等多种参数,给出了连续监测结果。

差分吸收激光雷达几何因子实验确定方法

差分吸收激光雷达发射光束与接收视场的重叠区域用几何因子函数来描述,几何因子是差分吸收激光雷达的重要参数。提出了一种实验方法,实验使用米散射激光雷达和差分吸收激光雷达同时测量信号,通过对比分析两台激光雷达采集信号计算得到的气溶胶散射比廓线,获得差分吸收激光雷达的几何因子。该方法的优点在于不需要预先得到精确度高的激光雷达参数,比如望远镜直径,光束发散角,望远镜接收视场角等。该方法的应用有利于减少近地面差分吸收激光雷达测量臭氧廓线的误差,提高差分吸收激光雷达的探测性能,有助于研究近地面层的臭氧时空分布特征。

北京城区奥运期间大气细粒子谱分布与变化特征研究

随着工业经济的迅速发展,颗粒物已经逐步成为我国大气污染的首要污染源,考虑到对人体的健康危害,大气颗粒物的数浓度值可能比质量浓度值更重要,因而对大气细粒子谱分布的研究也就越发显得重要。利用安徽光学精密机械研究所研制的大气细粒子谱分析仪,对北京城区奥运期间的大气细粒子实现从纳米到微米颗粒物的原位、快速、在线、宽范围粒径谱测量,并对奥运期间各粒径段内粒子日平均数浓度及实时变化规律进行分析。同时,结合地面能见度信息,对奥运赛事期间北京大气气溶胶细粒子谱分布特征及其与能见度的相关性进行了定性分析。结果表明,核模态粒子(5～20 nm)主要受气相成核过程的影响,其数浓度呈单峰值结构;爱根核模态(20～100 nm)受人为源及核模态粒子影响较大,其数浓度呈典型的三峰值结构;积聚模态(100 nm～1μm)数浓度日变化不大,但受大风、降水等天气影响较大,且数浓度的高低将直接影响大气能见度。

多环芳烃时间分辨荧光光谱特性研究

利用时间分辨荧光光谱技术,研究了菲、荧蒽、芴、蒽、芘等五种多环芳烃的荧光时间分辨发射光谱特性。以289nm受激拉曼光作为激发光源,研究了289nm激发光作用下五种多环芳烃的延时特性和门宽特性。并以多环芳烃随延时时间的荧光峰强度衰减关系曲线,得到菲、荧蒽、芴、芘的荧光寿命分别为37.0,32.7,10.9,147.0ns。不同荧光物质具有特定的荧光光谱特性,多环芳烃时间分辨荧光光谱特性的研究可以为复杂水体中不同种类多环芳烃的诊断提供依据。

珠三角地区大气中HCHO、O_3、NO_2的监测与分析

利用长程差分吸收光谱技术于2008年10月15日至11月19日对珠三角地区江门市大气中的HCHO、O_3、NO_2等污染物进行了实时监测,结合气象数据,分析了江门地区主要污染物HCHO、O_3、NO_2的日变化特征;同时,对江门市的主要污染来源进行了分析。对比了HCHO和其他各类污染物浓度数据的相关性分析及变化趋势,结果表明江门地区的HCHO主要来源于二次污染。利用多元线性回归分析,进一步证明了该结论.

北京奥运期间大气光学特征初步分析

以双波长三通道拉曼激光雷达对2008年北京奥运会期间大气状况进行了测量与分析,给出了奥运主场馆上空气溶胶消光系数、后向散射回波信号及波长消光比垂直分布及时空变化,计算了气溶胶消光散射比、光学厚度及Angstrom波长指数,结合地面监测数据分析了奥运期间典型天气间气溶胶光学特征的变化.结果表明,8～9日两天空气污染相对较重,主要为较大粒径粒子所致,降雨后气溶胶光学厚度有着明显的升高过程,出现较小粒径污染物的堆积。

微脉冲激光雷达水平探测气溶胶两种反演算法对比与误差分析

大气气溶胶对人类健康、环境和气候系统具有重要的影响。微脉冲激光雷达(MPL)是一种新型的探测大气气溶胶水平分布的有效工具,而消光系数的反演和误差分析是其数据处理的重要内容。为了探测近地面大气气溶胶的水平分布情况,采用分段斜率法和Fernald算法对合肥地区实测MPL水平数据进行了消光系数反演,并将反演结果进行了对比和误差分析。误差分析表明,分段斜率法和Fernald算法的误差分别主要来源于其理论模型和多个假设条件。虽然分段斜率法和Fernald算法应用于大气水平消光系数的反演都仍存在一定的问题,精确度有待提高,但都能在一定程度上反映出气溶胶粒子的时空分布特征,与前向散射能见度仪的测量结果相关性都能达到95%以上,具有一定的可行性。且相对来说,Fernald法更适用于大气非均匀分布情况下消光系数的反演。

珠三角地区一次灰霾天气过程激光雷达观测与分析

利用拉曼米散射偏振激光雷达对2009年11月珠江三角洲地区出现的一次灰霾天气过程进行了观测研究,对颗粒物的光学性质和物理参数进行了分析。灰霾发生期间,颗粒物主要分布在1.5 km以下,其中0.6～1 km高度的浓度较大。灰霾发生前期,颗粒物在532 nm波长退偏比为0.2,(?)ngstr(o|¨)m指数和雷达比分别为1±0.4和40±8 sr,表明灰霾颗粒物中有大量非球形粒子,粒径大,符合一次污染源排放的颗粒物特征;11月25日后,颗粒物在532 nm波长退偏比逐渐变小至0.07±0.02,Angstr(o|¨)m指数为1.5±0.6,激光雷达比为56±12 sr,说明颗粒物多为球形粒子,细粒子占比较大。观察结果表明,前期轻度灰霾天气期间,颗粒物主要为人为源污染源排放,为大气复合污染提供了条件,随着污染物不断聚集,25日后二次颗粒物大量生成,加剧了灰霾污染。

构建以激光雷达为核心的区域污染立体监测体系

提出建立以大气颗粒物监测激光雷达、大气臭氧探测激光雷达等地基遥感监测仪器设备为核心的区域污染立体监测体系,重点介绍了颗粒态污染物、气态污染物和气象场垂直探测的方法和原理。基于该监测体系,能够准确解析从近地面至高空颗粒态污染物(尤其是细粒子)和大气氧化剂的时空分布规律,结合近地面数据、卫星探测结果,建立剖析污染物的垂直分布特征的方法,准确判识污染团的外来输送过程和局地形成过程,为进一步采取防控、预警措施提供有力的数据支撑。

气体受激拉曼散射系统的分析与优化

为了优化气体受激拉曼散射系统,采用理论与实验相结合的方法,对气体受激拉曼散射现象进行了研究。根据受激拉曼基本理论计算了CH4和D2在不同气压下的拉曼增益系数,然后采用输出能量为70 mJ的Nd∶YAG三倍频355 nm激光进行了受激拉曼散射实验,测量了在拉曼池气体气压为1×10^5~2×10^6 Pa,焦距分别为500,750 mm下的斯托克斯光的输出能量。发现CH4拉曼增益系数随气体压力升高而增大;D2拉曼增益系数在1×10^6 Pa左右达到最大值,之后不随气压升高而改变。实验结果表明,在气体受激拉曼装置中,合理选择拉曼池气体气压和耦合聚焦透镜的焦距,即甲烷气体系统选择长焦距高气压,氘气系统选择长焦距低气压。理论计算与实验结果基本一致,此研究对NO2差分吸收激光雷达光源系统的优化有着很重要的作用。