激光外差技术高分辨整层大气透过率测量及水汽浓度反演研究

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4.5μm、3.53μm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。

利用光学外差技术同时测定透明板的折射率和厚度

通过分析圆偏振外差光束分别经透明板反射和透射后的s光和p光的相位差改变,得到了它们与透明板折射率和厚度的关系.利用改进的M-Z干涉仪设计和构建了能同时测定透明板的折射率和厚度的实验装置,通过测量从透明板反射的圆偏振外差光束的s光和p光的相位差,将测量数据代入理论上导出的特定方程,可以计算出被测透明板的折射率.同时,透明板又在改进的M-Z干涉仪的测量臂中,由波长偏移和光通过透明板引起s光和p光的相位差改变.由透明板折射率的测量值、相位差改变和波长偏移的特定值可得到透明板的厚度.从而实现在同一光学构造下完成对透明板的折射率和厚度的同时测量.

基于光外差技术的超宽带频率响应测量系统

介绍了一种利用光外差技术测量光电探测器超宽带频率响应的测试方法。将一个可调谐外腔激光器和一个固定波长的分布反馈激光器(DFB-LD′s)产生的激光输入到光电探测器进行混频。通过对可调激光器腔长的控制,可以在光电探测器产生从DC到上百GHz的拍频信号,在无需额外校准光源的情况下就可以进行光电探测器超宽带频率响应特性的测试,这是该方法最突出的优点。实验证明该方法比较准确、简便、易于操作。在实验中,对两个不同的InGaAs p-i-n探测器进行测量,得到器件的3 dB带宽分别为14.4 GHz和40 GHz。该测量方法对同类实验的研究和应用都具有实用意义。

外差椭偏纳米薄膜测量技术

提出一种可同时测量膜厚和折射率的新型快速高灵敏度薄膜测量方法——外差椭偏纳米薄膜测量技术，并给出了理论分析与设计、实验结果和误差分析．采用弱磁场塞曼激光器（输出４０ｋＨｚ的拍频信号），用相位直接比较法得到０．１８°分辨率，是迄今结构最简单的新型椭偏仪设计．测量过程高速全自动化，适合于现场连续测量．理论上可达到较高的测量精度．

非对称空间外差光谱技术研究

传统空间外差光谱技术存在光谱分辨率、光谱范围与探测器象元数之间的制约关系。非对称空间外差光谱技术相比传统空间外差光谱技术主要区别在于增加单臂光栅到分束器的距离,能够在系统参数不变的情况下大大的增加光谱分辨率。首先阐述了非对称空间外差光谱技术的基本原理,并给出相应的系统参数计算公式推导结果,从理论上推导出单臂光栅偏置量增加和光谱分辨率增加之间的关系。偏置量作为非对称空间外差光谱技术的重要参数,受短双边象元数和光谱分辨率需求的制约。根据实验室现有实验平台参数,给出偏置量选择原则及结果。在元器件参数相同的情况下,分别计算了两种形式的理论光学性能参数,并且进行了仿真验证,得出非对称空问外差光谱仪与传统空间外差光谱仪光谱范围相同,但具有更高的光谱分辨率,并且分辨率提高与偏置量增加关系与理论计算相符。最后通过单色光扫描方法对非对称空间外差光谱仪实验室装置进行光谱范围和光谱分辨率的定标,定标结果与理论计算值吻合较好。

空间外差光谱技术及其在大气遥感探测中的应用

基础研究表明大气微量气体成分的精确反演需要超高分辨率光谱数据,空间外差光谱技术是近年来得以迅速发展的新型超光谱分析技术,综合了光栅及傅里叶变换光谱技术的特点。对空间外差光谱技术基本原理进行了分析,阐述了空间外差干涉数据复原光谱信息流程。针对大气主要温室气体CO_2开展空间外差光谱技术在大气遥感探测方面的应用研究,通过地基遥感观测实验,分析空间外差光谱系统的探测灵敏度,验证超光谱数据对大气微量气体浓度变化检测能力。实验表明空间外差光谱技术在大气遥感探测尤其是微量气体成份探测中具有针对性和优越性。

利用空间外差光谱技术进行紫外高分辨率大气散射信号探测

羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要,它是大气光化学反应中重要的氧化剂,OH在308nm波段受到太阳能量激发,发射出OHA2Σ+-X2Π(0,0)荧光信号。为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号,从复杂背景信号中分离目标信号,研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪,光谱范围为308.2～309.8nm,光谱分辨率为0.008 25nm。临边观测主要探测大气散射信号,能量来源为大气中的粒子,包括大气分子与气溶胶、云等对太阳能量的散射作用。中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术,可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率,适用于大气成分的精细探测。通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜,总视场内的场景被分成多个视场切片,每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能,临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号,无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,进行了地面临边观测实验,探测紫外308nm波段大气散射信号。模拟临边观测几何,选取晴朗无云的一天,在空旷场地对大气散射信号进行观测。由于仪器基于空间外差光谱技术,需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标,得到最终临边观测光谱。由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用,因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗,分析观测光谱中对应波段,三个特征信息窗完全匹配,验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN,结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库,得到模拟光谱,将实测结果与辐射传输模型结果进行比对,两者残差较小。实测结果与模拟结果存在的残差,可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态,后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换,使辐射传输模型更接近实际状态。与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,验证了在轨探测多谱段、宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性,为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。

应用于高精度大气CO_2遥感的空间外差技术研究

针对大气二氧化碳高精度反演对卫星载荷测量技术的极高要求,通过与传统的色散型和干涉型光谱测量技术的比较,介绍了一种新型的超光谱测量技术即空间外差光谱技术。依据航天条件下的载荷技术需求,较详细地介绍了探测原理和仪器结构,展示了这种技术获取超光谱分辨率和高信噪比数据的能力,以及小体积、轻质量和低功率等在航天环境下的重要技术优势。在此基础上,利用本所自主研制的原理样机进行了大气二氧化碳探测实验,结果表明其观测数据精度能够良好地应用于二氧化碳反演,其探测结果与日本碳嗅卫星(GOSAT)观测结果相一致,说明空间外差技术具有应用于卫星对地探测大气二氧化碳的能力。

一种测量液体旋光特性的共光路外差干涉技术

为了提高旋光特性检测的灵敏度,设计搭建了一套基于塞曼效应的共光路外差干涉仪应用于旋光液体的旋光特性检测。采用塞曼效应激光器作为光源能发出两束正交线偏光,简化了实验装置的复杂性;且在系统中利用平衡检测与差动放大器,可降低激光器本身与外部环境所造成的大部分噪声,从而提高检测灵敏度。结果表明,对(0～50)mg/dL的低浓度葡萄糖水溶液的旋光特性测量,其检测灵敏度可达2.3×10-5(°)。这种结构简单的干涉仪可应用于固态、液体或气态旋光物质的旋光特性分析中。

用于远程探测的空间外差拉曼光谱技术研究

空间外差拉曼光谱技术是一种新型拉曼光谱探测技术,具有光通量大、高分辨率、无移动部件等技术优势,非常适用于行星探测任务中,对行星表面的矿物及有机物进行分析,探寻可能存在的生命标志物。作者将这一技术运用于远程拉曼光谱探测中,对远程空间外差拉曼光谱仪的光谱分辨率、光谱范围及信噪比等主要特性进行了分析与实验验证。文章对远程空间外差拉曼光谱探测的基本原理进行了简述,设计搭建了一套实验平台,并进行了定标,验证了其性能参数。在此基础上,获取了10m处部分无机固体样品、有机样品及天然矿物的拉曼散射信号,对系统信噪比进行了估计。由于装调精度不高、光学器件缺陷等原因,系统远非理想。但测试结果表明,对于大部分样品的主要拉曼散射峰,系统信噪比优于5,基本可以满足清楚分辨典型拉曼谱峰的要求,依然可以证明这一技术的可行性。空间外差拉曼光谱技术可以弥补色散型光栅光谱仪与傅里叶变换型光栅光谱仪的主要技术缺陷,在行星表面物质探测与分析领域具有较大的应用前景。作者对于这一技术的研究一定程度上证明了空间外差拉曼光谱技术在远程探测方面的潜力,可为远程空间外差拉曼光谱仪的工程实现提供参考。

测量溶液晶体生长速率用的光学外差干涉技术

非接触性光学外差技术可原地测量溶液中的晶体生长速率。采用波长为633nm，总输出功率为1mW（每个偏振分量为0.5mW)的双频率塞曼激光器，该激光器具有两个彼此共线而又正交偏振的频率v1和v2，它们准确相融250kHz。，系统的灵敏度确定为0.77nm ,比0.065nm的理论分辨率大，因为存在着与振动相关的噪声。针对监视溶液晶体生长的外差技术的关键因素进行的研究表明，当溶液温度为28.2℃，晶种温度为26.0℃时，L精氨酸磷酸盐晶体的生和速率为6.15±0.13nm/s(0.53mm/天）。这是运用外差技术进行实时、原地测量晶体生长速率的首次实验。

光外差-速度调制光谱技术在等离子体参量诊断中的应用

光外差-速度调制光谱技术是一种高灵敏的非侵入光谱诊断方法,本文以CO+为例,研究了不同压强工作气体条件下,CO+慧尾带系(A2仪i-X2Σ+)(1,4)带中R11(11.5)的谱线强度,优化得到了电场强度、电离系数等参数值,并计算出CO/CO2放电生成CO+的相对电离量子效率。

基于噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术实现光纤激光器到1530.58 nmNH_3亚多普勒饱和光谱的频率锁定

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)由于结合了频率调制光谱与腔增强光谱两种技术,不仅可以将激光耦合到高精细度谐振腔大幅提高腔内功率,还可以实现低气压样品气体的高灵敏测量,因此基于该技术可以实现分子吸收线的饱和,获得亚多普勒光谱,从而能作为激光频率锁定的参考.本文基于光纤激光器的NICE-OHMS技术,将光纤激光器频率锁定到NH3的亚多普勒吸收线上.首先分析了基于Pound-Drever-Hall和DeVoe-Brewer技术实现激光到腔模和调制频率到腔自由光谱区频率锁定的性能,之后在腔内气压为70 mTorr条件下,测量了半高全宽为2.05 MHz的NH3亚多普勒信号,最后将1.53μm的光纤激光器频率锁定到该亚多普勒吸收线上,相对频率偏差为16.3 kHz,阿伦方差结果显示,136 s积分时间下频率稳定度达到1.6×10^(-12).

空间调制外差干涉型偏振光谱测量系统

鉴于偏振光谱仪系统追求的目标是高偏振光谱分辨率、全Stokes谱静态测量、兼顾小体积轻质量,结合偏振光谱强度调制技术与空间外差干涉技术,提出空间调制外差干涉型偏振光谱仪系统。介绍了空间调制外差干涉型偏振光谱仪系统的结构原理,并对系统干涉图数据采集和全Stokes矢量解调复原进行了理论分析,给出了完整数学推导。结合空间外差光谱仪参数,匹配设计了调制器模块,给出一套完整的设计实例。在实验室搭台建立空间调制外差干涉型偏振光谱仪原理实验装置,通过对已知偏振态线偏振光的测量实验以及实验数据解析,验证系统原理及测量数据处理流程的正确性。结果表明:几种已知偏振态的线偏振光,由实验装置测量数据解析得到的Stokes矢量谱与理论分析结果基本一致,误差小于3%,验证了空间调制外差干涉型偏振光谱获取技术的可行性。

工程电测仪──双外差锁定技术的应用

本文介绍了一种能在强噪声背景下的城镇和工矿区进行电阻率测量的技术．重点讨论了工程电测仪中双外差锁定放大技术的原理。实践表明，仪器对工频５０Ｈｚ市电以及其他地电杂散干扰具有很强的抑制能力。

一种激光外差多普勒玻璃厚度测量方法

提出了一种应用激光外差测量技术结合激光多普勒技术的玻璃厚度测量方法．论述了该方法的理论依据，并结合实际应用介绍了外围硬件电路的设计方法，运用Matlab软件结合FFT技术进行了数值仿真实验，结果表明该方法在测量1～10mm的平板玻璃时，误差小于1％．

仪表放大器在激光外差玻璃测厚系统中的应用

为了放大激光外差玻璃厚度测量系统中的微弱信号,采用由分立元件构成仪表放大器作为光电探测器前置放大器,解决了放大器与光电接收器之间阻抗匹配,并运用Multsim对电路进行仿真和安装调试。结果证明,放大电路的输出信号符合系统设计的预期要求。

一种监测水坝变形的光外差光纤传感器设计

根据水电站水坝安全的要求,利用光外差技术设计了一种监测水坝变形的光纤传感器.对这种传感器的性能进行测试的结果表明,其精度可达到50nm,满足水坝变形监测的要求.

内调制技术和Pound-Drever-Hall技术对894.6nm倍频腔的稳频比较

为了对抽运源的稳频技术做出对比和选择,采用内调制技术和相位调制光外差技术,以周期性极化KTP晶体作为非线性晶体,实现了894.6nm连续光两镜驻波倍频腔的稳频运转。结果表明,在不同注入光功率下,用这两种方法锁定倍频腔后获得的蓝光功率基本相同;在最大注入光功率为350m W时,获得178m W的447.3nm蓝光,相应的转化效率为50.8%;在最大注入光功率下,利用内调制技术和相位调制光外差稳频技术获得的蓝光在2h内功率起伏分别为3.4%和2.3%。该研究对获得稳定输出的447.3nm蓝光用来制备铯原子D1线的非经典光的实验是有帮助的。

激光外差玻璃厚度测量系统检测电路的设计

为了检测激光外差玻璃厚度测量系统中的激光外差信号,介绍了激光外差玻璃测厚系统测量原理,通过对几种光电检测电路性能特征进行分析,设计出适合本系统光电检测电路,为激光外差检测提供了一种单元模块电路。