機(jī)載激光通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

曾飛，高世杰，傘曉剛，等

摘要：目的：機(jī)載平臺是激光通信系統(tǒng)應(yīng)用的重要方向。為了研制實(shí)用的機(jī)載激光通信系統(tǒng)，介紹了解機(jī)載激光通信系統(tǒng)的基本組成、發(fā)展歷史及其關(guān)鍵技術(shù)，同時指出其未來的發(fā)展方向。方法：機(jī)載激光通信系統(tǒng)由激光收發(fā)系統(tǒng)、跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)等3部分組成。其中，激光收發(fā)系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，飛機(jī)的運(yùn)動對跟蹤性能要求很高。目前，高精度光電吊艙跟蹤精度可以達(dá)到 10?″?左右，通過快反進(jìn)行精跟蹤精度可以達(dá)到 1?″?以內(nèi)。但是，要完成機(jī)載激光通信的研制，還需要充分了解機(jī)載吊艙的環(huán)境及機(jī)載激光大氣傳輸特性，因此有必要了解國內(nèi)外機(jī)載激光通信方面的研究。結(jié)果：西方國家在機(jī)載激光通信方面做了大量的研究工作。1980年麥道公司在白沙靶場第一次演示了機(jī)載對地激光通信。系統(tǒng)口徑191 mm，使用532 nm和1064 nm作為下傳和上傳波長，調(diào)制方式脈沖間隔調(diào)制，通信距離60 km，通信速率20 kbps。1995年ThermoTrex公司開始研發(fā)新一代機(jī)載激光通信系統(tǒng)RILC，目標(biāo)是在12 km高空，實(shí)現(xiàn)距離50～500 km飛機(jī)間1 Gbps雙向激光通信。光學(xué)系統(tǒng)封裝于47 cm球形轉(zhuǎn)塔中，具有20 cm直徑的光學(xué)窗口。然而850 nm波段的器件隨著1550 nm波段器件的發(fā)展而過時，并且系統(tǒng)的重量過重僅球形轉(zhuǎn)塔就重達(dá)68 kg，因此到2005年該項(xiàng)目終止。2003年ITT公司開始利用貨架產(chǎn)品來研制機(jī)載激光通信端機(jī)FALCON。該項(xiàng)目工作在1550 nm波段，而工作方式則是在12 km高度和100 km距離以低于10－6誤碼率進(jìn)行2.5 Gbps雙工通信。2009年，該系統(tǒng)試驗(yàn)中最遠(yuǎn)保持通信距離達(dá)到132 km。2008年新興公司AOptix的FOENEX項(xiàng)目的目標(biāo)是：使用口徑10 cm帶AO（Adaptive Optics）的系統(tǒng)，以10 Gbps的速率進(jìn)行50 km空—地和200 km空—空激光通信組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)研究。AOptix的R3.1 AO系統(tǒng)能以1 kHz的速率進(jìn)行閉環(huán)波前校正，通信系統(tǒng)引入自動功率控制、前向誤碼糾正、重傳等方法保證通信質(zhì)量。FOENEX項(xiàng)目證明AO可以校正銳利距離以內(nèi)的像差，包括氣動光學(xué)效應(yīng)和大氣湍流造成的像差。2005年歐空局在氣球?qū)嶒?yàn)中，從高度20 km的平流層向距離64.3 km的地面成功發(fā)送1.25 Gbps的數(shù)據(jù)，誤碼率低于10－9。在2008年的低速機(jī)載試驗(yàn)（100 m/s）中，僅使用粗跟蹤就成功達(dá)到了40 km通信和85 km跟蹤。在2013年的快速（0.7馬赫）機(jī)載試驗(yàn)中，通信距離達(dá)到50 km，跟蹤距離達(dá)到79 km。2012年美國海軍實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃研究證微型激光通信模塊，接收口徑 5.08 cm，僅包含粗跟蹤，計(jì)劃搭載無人機(jī)與地面進(jìn)行25 km 155 Mbps的通信。國內(nèi)長春理工大學(xué)在2011年完成了兩直升機(jī)17.5 km 1.5 Gbps的通信；2013年完成了兩運(yùn)12飛機(jī)144 km 2.5 Gbps通信。結(jié)論：機(jī)載激光通信系統(tǒng)的研制歷程十分漫長，但是其性能尚不能完全滿足實(shí)用要求。這主要是由大氣信道和飛機(jī)環(huán)境的復(fù)雜性決定的，需要重點(diǎn)研究以下關(guān)鍵技術(shù)：（1）激光大氣傳輸效應(yīng)研究；（2）精確定位和跟蹤技術(shù)研究；（3）環(huán)境適應(yīng)性和可靠性研究；（4）系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和輕小型化研究；（5）面向新型應(yīng)用的總體技術(shù)研究。隨著機(jī)載激光通信系統(tǒng)研究的逐步深入，未來的應(yīng)用前景將會不斷擴(kuò)展。在未來的信息化戰(zhàn)爭中，機(jī)載激光通信將會成為必不可少的通信手段。

來源出版物：中國光學(xué), 2016, 9(1): 65-73

入選年份：2016

太赫茲數(shù)字全息術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

鄭顯華，王新柯，孫文峰，等

摘要：目的：隨著太赫茲技術(shù)的逐漸成熟，太赫茲數(shù)字全息術(shù)作為最重要的發(fā)展方向之一，已經(jīng)逐漸在眾多科研和工業(yè)領(lǐng)域顯示了強(qiáng)大的應(yīng)用實(shí)力。建立了一套太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)，采用一系列方法提高系統(tǒng)的分辨率、信噪比和偏振測量能力，并且將此系統(tǒng)應(yīng)用于不同的太赫茲基礎(chǔ)研究和技術(shù)發(fā)展之中。方法：在成像系統(tǒng)的開發(fā)方面，（1）利用準(zhǔn)近場探測技術(shù)提高成像分辨率，使太赫茲光束與探測光從相對方向照射探測晶體，以至樣品可以與探測晶體緊貼放置，盡量消除太赫茲光波在傳輸過程中產(chǎn)生的衍射影響；（2）利用差分探測技術(shù)提高系統(tǒng)信噪比，使攜帶太赫茲信息的探測光依次通過1/4波片、渥拉斯頓棱鏡、透鏡組和 CCD攝像頭，獲取兩個探測光斑并將二者相減提取太赫茲信息，同時采用動態(tài)相減技術(shù)消除探測光中背景噪聲的影響；（3）通過調(diào)節(jié)探測光偏振態(tài)的方法對太赫茲光波偏振信息進(jìn)行測量，在探測光中插入1/2波片，調(diào)整探測光偏振與探測晶體＜001＞方向平行，測量太赫茲水平偏振分量，調(diào)整探測光偏振與探測晶體＜001＞方向成45°，測量太赫茲豎直偏振分量。在成像系統(tǒng)的應(yīng)用方面，將此系統(tǒng)作為測試平臺對幾種太赫茲 Metasurface器件進(jìn)行功能表征，對太赫茲金屬波導(dǎo)的傳輸模式進(jìn)行測定，對聚焦太赫茲光束的Gouy相移現(xiàn)象進(jìn)行觀測。結(jié)果：實(shí)現(xiàn)了太赫茲成像系統(tǒng)的性能提升，（1）利用準(zhǔn)近場探測技術(shù)，將成像分辨率提升至280 μm，實(shí)現(xiàn)了亞波長量級的成像能力；（2）利用差分探測技術(shù)，在保證成像質(zhì)量不變的前提下，有效抑制了由于激光波動引入的噪聲，成功提升了系統(tǒng)信噪比；（3）通過調(diào)整探測光偏振態(tài)，成功實(shí)現(xiàn)了對太赫茲場偏振態(tài)的測量，測量精度可達(dá)到對0.5°偏振改變量的測定。以此系統(tǒng)為測量平臺，實(shí)現(xiàn)了一系列太赫茲成像應(yīng)用研究。（1）研制了以V型金屬天線為調(diào)制單元的Metasurface太赫茲波前調(diào)制器，包括：平板球透鏡、全息相位板、渦旋相位板，利用成像系統(tǒng)觀測了太赫茲光波通過這些器件后的聚焦成像、全息顯示、渦旋波前等效果，實(shí)現(xiàn)了超薄平板太赫茲器件；（2）測量了太赫茲波在金屬共軸波導(dǎo)內(nèi)的傳播模式，發(fā)現(xiàn)太赫茲波主要在波導(dǎo)內(nèi)的電介質(zhì)層進(jìn)行傳輸，其模式是由TE11、TE1（2）TM11、TM12本征模的線性疊加構(gòu)成的，且4個模式?jīng)]有明顯的群速度色散，本工作為開發(fā)太赫茲波導(dǎo)提供了有效的測量平臺；（3）表征了匯聚太赫茲光波在通過焦點(diǎn)后產(chǎn)生的 Gouy相移現(xiàn)象，用聚乙烯透鏡聚焦太赫茲光波，并通過Z掃描記錄太赫茲光波通過焦點(diǎn)過程中的相位變化，觀測了在光軸附近相位產(chǎn)生λ的變化，證明了Gouy相移的出現(xiàn)是由于對光場橫向限制所引入的，證明了利用本成像系統(tǒng)研究基礎(chǔ)物理問題的可行性。結(jié)論：太赫茲數(shù)字全息術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)形成了較為成熟的技術(shù)體系，建立的太赫茲成像系統(tǒng)為可以對物質(zhì)全方位的光學(xué)信息進(jìn)行精準(zhǔn)測量，對于分析光與物質(zhì)相互作用是一項(xiàng)強(qiáng)有力的研究手段。根據(jù)已發(fā)表的報(bào)道，太赫茲數(shù)字全息術(shù)正逐步被應(yīng)用于微納光學(xué)器件表征、生物制藥成像、光學(xué)信息傳輸、半導(dǎo)體載流子輸運(yùn)、以及眾多基礎(chǔ)物理化學(xué)問題的研究中。隨著太赫茲光子學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，更強(qiáng)的太赫茲源、更靈敏的太赫茲探測技術(shù)、以及眾多太赫茲波段的光學(xué)器件不斷地被研制，太赫茲數(shù)字全息術(shù)終將被廣泛普及。

來源出版物：中國激光, 2014, 41(2): 0209003

入選年份：2016

二維快速傅里葉變換干涉圖相位提取誤差分析

張敏，唐鋒，王向朝，等

摘要：目的：相位提取作為干涉測量的重要環(huán)節(jié)，其精度大小將直接影響最終的檢測精度。基于空間載波的傅里葉變換（FFT）法，能從單幅條紋干涉圖中快速精確地提取出原始波面的相位信息，相比于相移法而言，不易受外部測量環(huán)境變化的影響，在光學(xué)車間和動態(tài)干涉儀等應(yīng)用中有著重要的實(shí)用價(jià)值。基于ZYGO干涉儀實(shí)測干涉圖，利用二維FFT法進(jìn)行相位提取，并與相移干涉相位測量結(jié)果進(jìn)行比對，對影響FFT法相位提取精度的邊緣誤差、窗函數(shù)、濾波器設(shè)計(jì)、干涉圖延拓，以及載波條紋數(shù)等因素進(jìn)行了綜合分析。方法：采用直接二維FFT法對邊緣誤差進(jìn)行分析，頻域?yàn)V波器采用以正一級頻譜中心為中心頻率的二階巴特沃思低通濾波器，濾波寬度為 0.4。分別加海明窗（FWHM＝270)、高斯窗（FWHM＝239）、凱塞窗（FWHM＝309）并對比邊緣誤差和全局誤差相對于不加窗時的變化情況。采用二階巴特沃思濾波器、圓柱形鑲余弦邊濾波器、FlashPhase組合濾波器對相位提取誤差受濾波器設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行分析。采用基于2D FFT變換的Gerchberg迭代延拓方法對干涉圖進(jìn)行延拓，并進(jìn)行相位提取和誤差分析。通過對比不同載波條紋數(shù)下的相位提取情況，分析載波條紋數(shù)對相位提取誤差的影響。結(jié)果：直接二維FFT法的邊緣0.05R徑向長度所對應(yīng)的環(huán)形區(qū)域的相位提取誤差較大，內(nèi)部0.95R徑向長度所對應(yīng)的中心區(qū)域的相位提取誤差較小，且邊緣0.05R環(huán)形區(qū)域的相位提取誤差決定了全局相位提取誤差的大小。高斯窗在半高寬（FWHM）為239個像素點(diǎn)時，相位提取誤差最小。經(jīng)同樣分析可以得到海明窗在半高寬為270個像素點(diǎn)時，凱賽窗在半高寬為309個像素點(diǎn)時，相位提取誤差最小。相比于不加窗，加海明窗、高斯窗或者凱塞窗僅能使邊緣誤差PV值減小約0.004λ，全局誤差仍然由邊緣誤差所決定。相比于常用的二階巴特沃思低通濾波器，使用圓柱形鑲余弦邊濾波器或組合濾波器濾波能使邊緣誤差PV值減小約0.02λ，全局誤差仍然由邊緣誤差所決定。干涉圖經(jīng)迭代延拓后邊緣誤差得到了極大的改善，PV值由無干涉圖延拓時的0.08 λ數(shù)量級下降至0.04λ數(shù)量級。全局誤差 PV值由無干涉圖延拓時的 0.08λ數(shù)量級下降至0.05λ數(shù)量級，且全局誤差不再完全由邊緣誤差決定。采用干涉圖延拓的2D FFT法進(jìn)行相位提取，條紋數(shù)在12和20時誤差較大，而條紋數(shù)在38到156之間（即載波頻率為干涉圖空間分辨率的1/13～1/3）時，均能得到比較準(zhǔn)確的測量結(jié)果，相位提取全局誤差較小，PV值約為0.05λ數(shù)量級。結(jié)論：對影響FFT法相位提取精度的邊緣誤差、窗函數(shù)、濾波器設(shè)計(jì)、干涉圖延拓，以及載波條紋數(shù)等因素進(jìn)行了分析。直接二維 FFT法干涉圖邊緣0.05R環(huán)形區(qū)域的相位提取誤差最大，且決定了全局誤差的大小。窗函數(shù)對邊緣誤差改善不明顯，優(yōu)化濾波器設(shè)計(jì)對邊緣誤差有一定改善。干涉圖延拓能有效減小邊緣誤差，相位提取精度提高約0.03λ，對連續(xù)光學(xué)面檢測而言是提高二維 FFT法相位提取精度的最佳方法。在干涉圖載波頻率為干涉圖空間分辨率的1/13～1/3時均能得到較準(zhǔn)確的測量結(jié)果，相位提取誤差PV值可優(yōu)于λ/20；載波頻率越高，細(xì)節(jié)分辨能力越強(qiáng)。

來源出版物：中國激光, 2013, 40(3): 0308002

入選年份：2016

機(jī)械刻劃光柵的刻線彎曲與位置誤差對平面光柵性能影響及其修方法

李曉天，巴音賀希格，齊向東，等

摘要：目的：機(jī)械刻劃法是制作平面光柵的重要方法之一。推導(dǎo)了含有刻線彎曲和刻線位置誤差的平面光柵在焦平面上成像數(shù)學(xué)模型，分析了上述兩種誤差對平面光柵光譜性能的影響，據(jù)此對光柵刻劃機(jī)刻劃系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而將有助于提高光柵質(zhì)量及應(yīng)用水平。方法：根據(jù)費(fèi)馬原理，建立單色平行光入射、非理想平面光柵在焦平面上成像的光線追跡數(shù)學(xué)模型，研究了光柵刻線彎曲和刻線位置誤差對光柵分辨本領(lǐng)和雜散光等光譜性能的影響。并將該非理想光柵結(jié)構(gòu)帶入到 Czerny-Turner結(jié)構(gòu)光柵光譜儀光學(xué)系統(tǒng)中，分析刻線彎曲和刻線位置誤差對該光譜儀性能的影響，將光線追跡軟件計(jì)算結(jié)果與所建立的非理想光柵的數(shù)學(xué)模型的分析結(jié)果進(jìn)行對比。最后根據(jù)以上仿真分析結(jié)果，對光柵刻劃機(jī)刻劃刀架系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果：根據(jù)建立非理想光柵成像模型對刻線彎曲和刻線位置誤差對光譜性能的影響進(jìn)行分析，并考慮到實(shí)際使用光柵的任意級次的衍射波前的峰谷值一般不超過 2λ，結(jié)果表明：光柵刻線彎曲對光柵弧矢方向的分辨本領(lǐng)影響極大，但對子午方向的分辨本領(lǐng)影響甚微，而且刻線彎曲對子午方向的光柵雜散光幾乎無影響?？叹€位置誤差主要影響子午方向的光柵分辨本領(lǐng)和雜散光等光譜性能。當(dāng)光柵的實(shí)際柵距與理想柵距存在偏差時，會使像平面的衍射光位置在子午方向上發(fā)生偏移，且偏差越大，實(shí)際衍射光與理想衍射光位置偏移量越大。采用光線追跡軟件對含有非理想平面光柵的光譜儀進(jìn)行成像分析，其結(jié)論與所建立的非理想光柵成像數(shù)學(xué)模型的分析結(jié)論一致。根據(jù)以上分析可知，等間距刻線彎曲對光柵雜散光影響較小，因此本文主要進(jìn)行了刻線位置誤差的修正。提出了光柵刻劃機(jī)的刻劃刀架系統(tǒng)的改進(jìn)方案，將原有的鞍型滑塊與安裝板間的剛性連接改變?yōu)榛诟軛U原理的合頁式柔性連接方式。當(dāng)鞍形滑塊存在分度方向位移時，經(jīng)過該杠桿結(jié)構(gòu)后，金剛石刀尖位移量比鞍形滑塊的位移量明顯縮小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的光柵刻劃刀架系統(tǒng)刻劃出的光柵平均刻線形狀值降低至原有值的一半以下，由光柵刻線形狀不重復(fù)導(dǎo)致的光柵局部刻線位置誤差顯著下降。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的光柵雜散光水平與改進(jìn)前相比有明顯改善。結(jié)論：等間距刻線彎曲主要影響光柵弧矢方向的光譜性能，而對光柵子午方向雜散光、分辨本來等光譜性能影響甚微；刻線位置誤差則主要影響光柵子午方向的光譜性能；在光柵刻劃機(jī)研制中，首先應(yīng)減小光柵刻線位置誤差、改善光柵在子午方向的光譜性能，然后應(yīng)采取適當(dāng)方案減小刻線彎曲。據(jù)此對光柵刻劃機(jī)的刻劃刀架系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，有效降低了刻劃光柵的雜散光。

來源出版物：中國激光, 2013, 40(3): 0308009

入選年份：2016

一種提高偏振光斯托克斯參量測量精度的方法

湯飛龍，李中梁，步揚(yáng)，等

摘要：目的：偏振光照明技術(shù)可有效提高光刻成像質(zhì)量，偏振光斯托克斯（Stokes）參量的高精度測量則是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的前提與基礎(chǔ)。旋轉(zhuǎn)波片法是測量Stokes參量的常用方法，1/4波片相位延遲量誤差是影響旋轉(zhuǎn)波片法Stokes參量測量精度的主要因素。相對于可見光波段，目前常用的光刻機(jī)使用深紫外波段光源，在該波段制造理想的1/4波片的難度更高，波片相位延遲量誤差更大，其對偏振光Stokes參量測量的影響也更為顯著。通過研究Stokes參量測量誤差與1/4波片相位延遲量誤差之間關(guān)系，提出一種提高光束Stokes參量測量精度的優(yōu)化旋轉(zhuǎn)波片法。方法：通過對旋轉(zhuǎn)波片法測量Stokes參量的原理進(jìn)行理論分析，得出Stokes參量測量誤差與1/4波片相位延遲量誤差的關(guān)系式。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，提出了提高光束Stokes參量測量精度的優(yōu)化旋轉(zhuǎn)波片法，該方法首先測量得到待測光束的偏振方位角，然后調(diào)整檢偏器透光軸方向與待測光束偏振方向成 90°后測量得到歸一化 Stokes參量 S10、S20，調(diào)整檢偏器透光軸方向與待測光束偏振方向成 45°后測量得到歸一化 Stokes參量 S30。進(jìn)一步通過對該方法進(jìn)行模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該方法的有效性。結(jié)果：理論分析結(jié)果表明，當(dāng)檢偏器透光軸方向與待測光束偏振方向之間的夾角為90°時，相位延遲量誤差引起的歸一化Stokes參量S10、S20測量誤差最小，當(dāng)檢偏器透光軸方向與待測光束偏振方向之間的夾角為 45°時，相位延遲量誤差引起的歸一化Stokes參量S30測量誤差最小；模擬計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)波片相位延遲量誤差小于1.2°時，采用優(yōu)化的旋轉(zhuǎn)波片法使測量誤差由原來的3.59%降低至0.11%；實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，采用優(yōu)化旋轉(zhuǎn)波片法使測量誤差從原來的 4.31%降低至 0.33%。結(jié)論：通過對傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)波片法測量Stokes參量的原理進(jìn)行理論分析，研究和討論了Stokes參量測量誤差與相位延遲量誤差之間關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化的旋轉(zhuǎn)波片法。通過調(diào)整檢偏器透光軸方向與待測光束偏振方向成90°或45°后再進(jìn)行測量，可有效減少相位延遲量誤差對偏振光Stokes參量測量的影響；當(dāng)待測光束為線偏振光或只關(guān)注光束的線偏振成分時，只需調(diào)整檢偏器透光軸方向與待測光束偏振方向成 90°后測量。該方法操作簡單、可行性強(qiáng)、效果明顯，對線偏振光Stokes參量測量精度提高效果尤為顯著。對于目前光刻機(jī)常用的深紫外波段線偏振光，在該波段波片相位延遲量等誤差更大，采用該優(yōu)化方法可有效減小相位延遲量誤差對偏振光 Stokes參量測量的影響，從而有效提高測量精度。

來源出版物：中國激光, 2013, 40(4): 0408006

入選年份：2016

基于矢量輻射傳輸?shù)拇髿馄窠?/h2>

王威，褚金奎，崔巖，等

摘要：目的：為了獲得更精確的偏振信息，能夠計(jì)算在一定的大氣環(huán)境、地表情況、云和氣溶膠狀況以及給定測試參數(shù)條件下，天空中某個方向上光波的Stokes參量，并據(jù)此計(jì)算相關(guān)偏振信息，利用倍加—累加法為基礎(chǔ)求解矢量輻射傳輸方程（RT3），研究基于RT3的大氣偏振模式。方法：從大氣散射基本理論出發(fā)，設(shè)定了大氣模式、氣溶膠模型、測試參數(shù)，利用倍加—累加法求解矢量輻射傳輸方程，得到了天空仿真點(diǎn)處的光波Stokes參量，然后計(jì)算光波的偏振信息，最后結(jié)合天空偏振數(shù)據(jù)處理軟件，分別針對Rayleigh散射大氣和實(shí)際大氣進(jìn)行了天空偏振仿真模擬。首先，設(shè)置較為合理的大氣模式和氣溶膠模型，將對流層分為兩層，即0～5 km的風(fēng)雨層和5～15 km的Rayleigh散射層，建立基于美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模式的簡化雙層大氣模式；氣溶膠模型選取的氣溶膠粒徑范圍為 0.001～1μm，并對氣溶膠粒子的物理特性（如粒度譜分布）以及光學(xué)特性（如復(fù)折射指數(shù)）進(jìn)行參數(shù)化處理，氣溶膠粒度譜分布選用修正的伽馬分布，復(fù)折射指數(shù)采用典型氣溶膠隨波長變化的折射指數(shù)模型。然后，利用倍加—累加法原理求解矢量輻射傳輸方程。在倍加—累加法中，對于一個厚的均勻?qū)?，可以將其劃分?n個完全相同的薄層，通過倍加法計(jì)算可以非常迅速地獲得其反射和透射性質(zhì)。倍加法用來求均勻?qū)娱g的反射透射矩陣，而非均勻?qū)又g采用累加法。在RT3模式中，用傅里葉級數(shù)對方位角進(jìn)行展開、對天頂角進(jìn)行離散化。最后，利用Visual C++和OpenGL繪制天空偏振模型圖，基于Rayleigh 散射大氣進(jìn)行偏振建模與傳統(tǒng)理論建模方法進(jìn)行對比分析，從而驗(yàn)證建模的正確性；仿真模擬實(shí)際大氣條件的天空偏振分布模型，分析其分布規(guī)律以及光波波長、天氣情況、地表反照率對天空偏振的影響。結(jié)果：在Rayleigh散射大氣條件下，基于RT3的天空偏振模型與傳統(tǒng)理論模型基本吻合，是正確的；該模型還可以研究不同波長對大氣偏振的影響規(guī)律，在純凈大氣Rayleigh散射情況下，偏振度隨波長的增大而增大，即長波長有利于天空偏振光測試。在模擬實(shí)際大氣條件下，基于RT3的偏振建模仿真結(jié)果表明：（1）對于不同天氣、不同波長，偏振度均是在太陽點(diǎn)和 Argeo中性點(diǎn)處較小，且散射角為 90°時最大，這些偏振分布規(guī)律與傳統(tǒng)理論模型一致。（2）對于晴朗無云天空，波長越長，DOP越大，越利于偏振光測試；而多云、陰霾等惡劣天氣，短波段對應(yīng) DOP較大，更有利于偏振測試與應(yīng)用。（3）地表反照率越大，DOP越小，越不利于偏振測試研究與應(yīng)用。結(jié)論：倍加—累加法是求解矢量輻射傳輸方程的一種數(shù)值解法。利用RT3求解矢量輻射傳輸方程，完成了對Rayleigh散射條件和實(shí)際大氣條件下天空偏振建模。通過測試驗(yàn)證了基于RT3建立的大氣偏振模型是正確的，比傳統(tǒng)Rayleigh散射理論模型更接近于實(shí)際天空偏振模型。通過該模型能夠研究不同波長、不同天氣情況以及不同地表反照率對天空偏振分布的影響規(guī)律，也能夠研究不同氣溶膠分布對天空偏振的影響。

來源出版物：中國激光, 2013, 40(5): 0513001

入選年份：2016

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜中激光器溫度補(bǔ)償

袁松，闞瑞峰，何亞柏，等

摘要：目的：可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）具有高分辨、高靈敏度和快速測量等特點(diǎn)，在環(huán)境檢測、工業(yè)過程檢測等方面具有很好的應(yīng)用前景。但是TDLAS系統(tǒng)在長期連續(xù)工作時，存在激光輸出波長隨環(huán)境溫度變化而發(fā)生漂移的問題。針對這一問題，研究了激光輸出波長隨環(huán)境溫度變化特征及其對光譜處理的定量影響問題，為了消除激光輸出波長的漂移，設(shè)計(jì)了基于ADμC841的溫度補(bǔ)償電路，根據(jù)環(huán)境溫度實(shí)時調(diào)整激光器的設(shè)置溫度，對激光器進(jìn)行譜線鎖定，在溫控試驗(yàn)箱中進(jìn)行了測試和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，當(dāng)環(huán)境溫度在20～60℃之間變化時，激光器的波長漂移量為4.1 pm，為TDLAS技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。方法：由于造成激光器波長漂移的原因眾多，漂移的根本原因也難以區(qū)分，但溫度變化對激光器波長影響最大，所以采取用溫度傳感器來測量激光器所處的環(huán)境溫度，根據(jù)激光器波長隨環(huán)境溫度變化的特征，利用DAC每2 s重新設(shè)置一次激光器溫度的方法，以修正溫控箱內(nèi)溫度變化時電路板上電子元件特性變化造成的波長漂移，彌補(bǔ)目前商用激光器自身控制系統(tǒng)的不足，實(shí)現(xiàn)激光器的波長穩(wěn)定。結(jié)果：激光器的波長變化呈現(xiàn)單一特性，隨著環(huán)境溫度的升高，激光器的波長向短波方向偏移。在沒有溫度補(bǔ)償時，激光器波長在環(huán)境溫度 20～60℃變化時，波長變化量為78.1 pm。當(dāng)利用12位DAC根據(jù)激光器波長隨環(huán)境溫度變化的特征，對激光器進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，在相同環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)，波長變化量為 9.8 pm。為了提高 DAC的補(bǔ)償精度，對 DAC的輸出進(jìn)行電阻分壓，單次補(bǔ)償后，激光器的波長變化量減小，由于補(bǔ)償區(qū)間減小，補(bǔ)償次數(shù)增多，可以達(dá)到更精確的補(bǔ)償效果，在相同溫度變化區(qū)間內(nèi)，激光器總的波長漂移量為4.1 pm，尤其當(dāng)外界溫度變化比較大時，溫度控制精度得到了保證，把波長變化對光譜處理的影響大大減小。結(jié)論：造成DFB半導(dǎo)體激光器波長漂移的原因很多，這將對吸光度的計(jì)算和濃度反演造成影響，尤其是在多條吸收譜線的情況下。以上實(shí)驗(yàn)表明，采用根據(jù)環(huán)境溫度重新設(shè)置激光器溫度的方法，可以修正環(huán)境溫度變化時電路板上電子元件特性變化造成的波長漂移，大大減小了激光器波長的漂移量。當(dāng)外界溫度變化比較大時，溫度控制精度得到了保證，譜線鎖定滿足了實(shí)驗(yàn)要求，這對 TDLAS應(yīng)用于工業(yè)過程檢測及其它惡劣環(huán)境下的氣體檢測提供了穩(wěn)定的保障。同時探討了其它減小激光器波長漂移的方法，為TDLAS技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

來源出版物：中國激光, 2013, 40(5): 0515002

入選年份：2016