钠多普勒激光雷达回波光子数仿真及大气参数反演

钠多普勒激光雷达利用中层顶区域的钠原子作为示踪物,探测中层顶区域大气风场和温度剖面.本文主要分析钠多普勒激光雷达的探测原理和大气参数反演算法.利用MSISE和HWM93等大气模型给出背景大气温度、密度及风场,并给定钠原子数密度剖面,从激光雷达方程出发,模拟计算了激光雷达的瑞利散射和钠共振荧光散射回波光子数.利用模拟的回波光子数剖面数据,反演得到大气温度、视线风速和钠原子数密度剖面,反演结果与模拟计算用的背景参数符合很好,验证了这一反演方法的正确性.分析了激光频率偏移和激光线宽变化对反演精度的影响.

激光测距系统回波光子分布特性研究

激光测距系统回波光子特性分析对激光测距理论研究、系统设计以及性能评估具有重要意义。结合激光测距原理并综合考虑影响激光测距的多种因素,如大气湍流、大气和卷云传输特性、目标距离等,从理论上推导了测距方程以分析研究回波光子的分布特性。同时,利用Matlab软件开发平台编制了相应的激光测距系统回波光子分布特性研究软件,通过设置测距系统中激光器、发射望远镜、接收望远镜以及探测器等相关参数可估算回波光子数,并同时显示相应的函数关系曲线。

基于布洛赫方程的多色信标回波光子数数值仿真

信标技术历经了自然信标、瑞利信标、钠信标以及信标阵列的发展过程仍无法实现真正意义上的全天空覆盖,而多色信标是大口径地基自适应望远镜实现100%天空覆盖率的有效手段之一.但是现有的多色信标的仿真模型都存在着一定的不足,特别是对一级激发中间层钠原子形成多色信标的仿真模型无法准确计算出多色信标的回波光子数.本文提出了基于布洛赫方程的仿真模型,对一级激发中间层钠原子形成多色信标回波光子数进行数值仿真,充分考虑多普勒展宽、进出作用场、碰撞以及反冲作用的影响,并采用回光效率描述回波光子数的多少.仿真结果表明,存在最优的激光器线宽使得回光效率达到最大,若采用功率密度为10 W/m^2的激光器激发中间钠层,最优线宽为18 MHz,最大330 nm回光效率为0.907 Photons/[s·sr·atom·(W/m^2)].

离焦像差对激光测距回波光子数的影响分析

卫星激光测距中,为满足不同距离目标的测距要求,需要调整激光光束的发散角。利用离焦式扩束系统改变两透镜间的距离调整发散角会产生离焦像差,影响激光光束的质量和系统的测距能力。因此,研究离焦像差对激光光束质量和系统测距能力的影响具有重要意义。首先,分析扩束系统对基模高斯光束的变换作用,得到发散角和离焦量的关系。其次,根据基模高斯光束的传播理论,得到离焦像差对光束能量密度空间分布的影响。最后,对于不同距离的卫星,计算有离焦像差和无离焦像差时激光测距系统接收的回波光子数。仿真结果表明,发散角和离焦量近似服从线性关系,离焦量变化1 mm,发散角变化1μmrad;离焦像差影响光束的能量密度分布,使光斑弥散;对于不同距离的卫星,在不同角放大率下无离焦像差时测距系统接收的回波光子数约为有离焦像差时的2倍,可以有效提高系统的测距能力。

基于波长330nm激光激发多色激光导星回波光子数的数值计算与探讨

采用无模激光器发射波长为330 nm的激光激发多色激光导星,需要考虑脉冲激光重频率、激光带宽、激光初始光斑直径以及大气透过率对回波光子数的影响.通过数值模拟,计算了高斯光束的脉冲激光和连续激光激发多色激光导星在实际大气中后向辐射330 nm和2207 nm波长的回波光子数.数值计算结果表明,在垂直发射和接收的情况下,当到达大气中间层的激光能量为1 W时,连续激光能够获得更多的回波光子数,并且回波光子数几乎无起伏.对于脉冲激光,提高脉冲激光重频率达到50 kHz以上时,多色激光导星330 nm的回波光子数随脉冲重频率的增加趋于有限值;当大气能见度小于5 km且大气相干长度为12.8 cm时,大约需要34 W以上的激光发射能量,才能获得满足使用自然星全倾斜探测的330 nm回波光子数.对于连续激光,相同情况下,大约需要20 W以上的激光发射能量.

激光钠信标荧光回波光子数的影响因素及其数值模拟

大气中间层激光钠信标荧光回波光子的激发受到地磁场、钠原子碰撞以及反冲的影响。地磁场引起钠原子的拉莫尔进动,严重地削弱长脉冲和连续波激光与钠原子作用的光抽运;原子碰撞一定程度上增加了钠荧光平均回波光子通量;反冲却降低了钠荧光平均回波光子通量。此外,下抽运现象容易导致钠原子光抽运在较低的光强下进入跃迁饱和。因此,为了增加钠荧光回波光子数,可以采用再抽运的方法获得较高的钠荧光平均回波光子通量。数值模拟的结果表明,在Greenwood大气湍流模式下,在激光束中加入16%的再抽运能量获得的钠荧光回波光子数大约是单一频率(D2a)激发钠荧光回波光子数的2.33倍。

大气湍流间歇性对激光测距回波光子数的影响

基于大气湍流中的光传输理论,并利用与实际大气湍流更为接近的间歇性湍流的She模型,得到了适用于Kolmogorov大气湍流、间歇性大气湍流的光束长期项扩展和短期项漂移的近似解析式;结合激光测距方程,利用Matlab软件计算了低轨卫星、高轨卫星和月球的测距回波光子数,分析了大气湍流的间歇性对激光测距回波光子数的影响。结果表明,大气湍流的间歇性越大,测距回波光子数越多;回波光子数在间歇性大气湍流与无湍流情况下的比值约为1/20。

大气湍流中激光钠信标回波光子数的数值模拟

采用光传播数值模拟的方法,研究了长脉冲、短脉冲和连续波圆偏振激光传播至钠层并激发钠信标回波光子的分布及变化情况,并比较了Greenwood和Hufnagel-valley5/7(HV5/7)两种大气湍流模式下回波光子在钠层的分布及光子数的差异。结果表明相对于Greenwood湍流模式,长脉冲、短脉冲和连续波圆偏振激光在HV5/7湍流模式下传播至钠层的光强分布分散性增强且光强分布的峰值受到削弱;长脉冲和连续波激光与钠层作用可激发更多的回波光子,但是短脉冲激光却不能激发更多的回波光子。而且在两种湍流模式下短脉冲和连续波激光激发的光子数分布与光强分布具有很好的一致性,而长脉冲激光激发的光子数分布却没有这种特点。

量子存储式量子计算机与无噪声光子回波

量子计算机一个重要的应用是攻破经典密码.以往的研究表明,攻破广泛使用的2048位RSA密码所需要的量子比特数目在2000万左右,远远超出了目前的技术水平.近期法国研究人员提出,如使用配备了多模式量子存储的量子计算机,则只需要1.3万个量子比特即可攻破2048位的RSA密码.这一研究把量子存储器的应用推广到量子计算领域,为研制实用化量子计算机提供了一条新的技术路线.量子存储式量子计算机需要微波段的量子存储器,这是目前亟待开发的新技术.基于对量子存储过程中原子辐射本质的分析,近期我们提出了无噪声光子回波方案,成功解决了光子回波的自发辐射噪声难题,有望进一步实现微波段量子存储并应用于量子存储式量子计算机中.

混合分子聚集体有机纳米材料中相干与非相干皮秒脉冲累积光子回波

用双调制（斩波器和驻波调制器）和外差检测累积光子回波技术，研究了ＰＩＣ－Ｉ和ａｚａＰＩＣ－Ｉ混合分子集体有机纳米材料中一维Ｆｒｅｎｋｅｌ激子的位相弛豫过程．观测到激子失相时间Ｔ２随ａｚａＰＩＣ－Ｉ克分子数的增大从６０ｐｓ变为２２４ｐｓ．这与在含能量陷阱的分子聚集体中激子失相时间Ｔ２随陷阱的增加而变短的现象刚好相反．并且对在脉宽为４ｐｓ和相于时间为１ｐｓ的相干脉冲和非相干脉冲的不同激发条件下的实验结果进行了分析和讨论．

四能级系统超快调制光谱学中光子回波的研究

对四能级系统超快调制光谱学（ＵＭＳＦＳ）中的光子回波进行了研究．当泵浦光束为宽带线宽且相对时间延迟大于０时，双光子四波混频对应于和频三能级光子回波．泵浦光束为宽带线宽且相对时间延迟小于０时与泵浦光束为窄带时情形类似．这种技术在测量与基态是偶极禁戒跃迁的两激发态之间的能级分裂时，可得到消除多普勒增宽的测量精度．

双共振的多重双光子三能级光子回波

本文讨论了双共振情况下的双光子三能级光子回波(TTE)。分析指出,此时回波现象一般显示多重的特性,泵浦条件远比通常的TTE为低;选择不同的泵浦面积,可使这些回波单独出现或相继出现。

用光子回波技术测量物质的横向弛豫时间

本文采用密度矩阵法推导光子回波讯号强度与激光光脉冲相对延迟的一般关系,得出二脉冲、三脉冲光子回波强度随时延的变化公式。实验上,用可调谐染料激光器作为光源,分别采用二脉冲、三脉冲光子回波技术,测得室温常压下饱和碘蒸气的横向弛豫时间T_2约为140ps。

光子回波的求解及其应用

为了深入理解光子回波产生的物理机制,通过采用预报-校正四阶龙格-库塔数值法求解非均匀展宽二能级体系的Maxwell-Bloch方程,建立了准确计算薄样品和厚样品介质光子回波信号强度的方法。得到了二脉冲、三脉冲和多脉冲光子回波信号的强度特性,并研究了弛豫时间、初始入射光脉冲的面积、失谐量以及样品的厚度等对光子回波信号的影响,进一步研究了编码脉冲在数据存储和读取中的应用。计算结果很好地显示了光子回波信号的特性,所建立的方法对光子回波信号的求解具有普适性。

基于光子晶体微腔的回波光量子存储

充分发掘量子计算机的应用潜力需要将大量分立的量子节点连接起来,组建一个与互联网类似的全量子网络.高性能的可集成光量子存储器是解决不同量子节点间信号同步问题的核心器件,直接关系到量子网络的实现规模和整体性能.然而,目前的微纳量子存储器还存在可集成性和存储性能难以兼容的问题,还不能满足构建全量子网络的需求.本文提出在掺铒硅材料上设计通信波段的光子晶体微腔,不仅可利用光学微腔的角动量共振模式来实现基于光子回波的量子存储,还可利用光学微腔来增强光和物质相互作用,有望实现高存储效率的可集成量子存储器.

基于光子回波技术的量子存储

量子存储在量子信息领域中具有相当重要的地位,类似于光子回波技术,一种基于可逆非均匀展宽的光量子存储方法可通过控制外部场的变化,达到对光信号的量子存储和提取。通过数值计算,对用于描述系统的海森堡方程进行求解,可知光信号被原子系统吸收后逐渐变小,光信号的量子信息转化为原子的极化属性,这样光量子信息就存储于原子系统中,其存储在原子系统的效率取决于系统的光学深度。

用受激光子回波实现四维信息的贮存和读取

本文提出受激光子回波来记录和再现“四维(空间+时间)”信息。文中证明了当第一个脉冲E_1(x,y,t)=E_(10)(x,y)δ(t—t_(10))在t_(10)时作用系统,那末第二个脉冲信息E_2(x,y,t)就被第一个脉冲储存在二能级原子系统的偶极子中,当第三个即读取脉冲在t_(30)时作用时,还可以证明,在某些条件下,系统将在t_(40)=t_(30)+(T_(20)—t_(10)时给出第四个脉冲,它就是受激光子回波,并且是信息脉冲E_2(x,y,t)的“四维信息”。这是在t轴上展开的全息图如果第一和第二脉冲互换,在第三个,读取脉冲作用时,第四个回波脉冲将与第一个共轭。如果用稀土离子晶体作贮存材料,激光强度为W/cm^2的量级,在低温条件下,信息可贮存较长时间。

空心平板光波导中三脉冲TE模光子回波

本文讨论了空心平板光波导中三脉冲TE模光子回波问题,求出了强场情况下当激励脉冲为单模脉冲时受激光子回波与象回波的一般表达式。

基于单光子探测的目标光学散射特性研究

研究了目标物体的单光子散射回波特性,基于红外单光子探测器和皮秒激光器搭建了目标光学散射特性测量系统,以回波光子数作为单光子条件下目标光学散射特性的表征。实验研究了不同形状(球体、立方体、圆柱体、圆锥体)目标物体的单光子散射特性,并利用双向反射分布函数模型对实验结果进行拟合,理论拟合结果与实验测量结果能够很好地吻合。进一步对不同材质(瓷砖、木材、外墙砖)目标物体的单光子散射特性进行了研究,并将实验结果与传统波动散射特性进行了对比分析。该研究为单光子激光雷达远距离目标识别与探测的相关工作提供了参考。