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基于半导体光放大器的纳秒脉冲串激光种子源系统

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中国激光 2024年第14期51卷 72-79页

作者：黄磊邱基斯齐耀东袁峰刘昊中国科学院空天信息创新研究院光学工程研究部北京100094 中国科学院大学光电学院北京100094

设计了一种基于半导体光放大器的纳秒脉冲串激光种子源系统。在该系统中,半导体光放大器具有40 dB以上的高消光比,可实现高信噪比的脉冲串激光输出。利用半导体光放大器腔外调制窄线宽连续激光光源,研究了不同重复频率下纳秒脉冲串激光... 详细信息

设计了一种基于半导体光放大器的纳秒脉冲串激光种子源系统。在该系统中,半导体光放大器具有40 dB以上的高消光比,可实现高信噪比的脉冲串激光输出。利用半导体光放大器腔外调制窄线宽连续激光光源,研究了不同重复频率下纳秒脉冲串激光的输出特性,通过调控触发信号实现了子脉冲重复频率为10~100 kHz、子脉冲脉宽为8.6~88.2 ns、单脉冲能量为0.892~6.124μJ的高光束质量1064 nm脉冲串激光输出,最大平均功率为86.4 mW,输出不稳定度为1.66%,横向光束质量因子(M_(x)^(2))和纵向光束质量因子(M_(y)^(2))分别为1.12和1.16。该系统可作为高平均功率纳秒脉冲串激光器的种子源系统。

关键词：激光器半导体光放大器脉冲串激光激光器种子系统

基于辐射传输模型探究机载高光谱激光雷达的植被垂直生化组分探测能力

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光谱学与光谱分析 2024年第7期44卷 2083-2092页

作者：郝一硕牛沂芳王力毕恺艺中国科学院空天信息创新研究院遥感与数字地球重点实验室(中国科学院)北京100101 中国科学院大学北京100049

自然环境下的植被群落,由于各种群之间以及种群与环境间的竞争与选择,常呈现出一定的垂直结构,对于同一植株的不同生长阶段,在垂直方向也有着不同的生理生化参数。对这种三维立体分布特征进行探测,能够进行生态环境立体化定量评价,对森... 详细信息

自然环境下的植被群落,由于各种群之间以及种群与环境间的竞争与选择,常呈现出一定的垂直结构,对于同一植株的不同生长阶段,在垂直方向也有着不同的生理生化参数。对这种三维立体分布特征进行探测,能够进行生态环境立体化定量评价,对森林碳储量估算和生物多样性保护等具有重要意义。传统的被动光学遥感以及激光雷达在植被生化参数垂直探测方面有较大的局限性,而高光谱激光雷达(Hyperspectral LiDAR,HSL)这一新型探测仪器的出现为探测植被生理生化参数垂直分布提供了新的手段。但由于受到硬件方面的限制,HSL在机载平台下对森林复杂立体场景的适用性尚未得到充分研究。故首先基于HSL原型样机在实验室开展小尺度的室内测量,以火炬花植株为目标,验证其对空间信息和光谱信息的一体化提取能力;随后进一步使用三维辐射传输模型构建具有垂直异质性特征的森林场景,模拟机载HSL设备实现森林的高光谱三维点云提取,结合植被指数和随机森林模型对场景中三种不同植被冠层的叶绿素浓度和类胡萝卜素浓度进行反演。结果表明:室内实验证实了HSL回波信息可以有效区分植株不同高度处光谱曲线的差异,火炬花上部红色叶片和下部绿色叶片的归一化植被指数分别小于和大于0.5;基于三维辐射传输模型成功构建了虚拟森林场景的机载HSL高光谱三维点云,在得到的24组植被指数中,有17组指数表现出良好的探测精度(平均绝对百分比误差MAPE研究显示出HSL设备是一种立体化提取植被光谱信息的有效手段,在探测森林等复杂植被场景的生化组分垂直分布方面具有巨大的应用潜力。

关键词：森林立体场景机载高光谱激光雷达三维辐射传输模型植被生化组分

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基于波前编码的消色差稀疏孔径超构透镜

中国激光 2024年第6期51卷 246-253页

作者：张敬巍胡敬佩董延更曾爱军黄惠杰中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室上海201800 中国科学院大学北京100049

光学稀疏孔径技术以其所具有的降低透镜加工面积、增大数值孔径和提升分辨率的能力被应用到超构透镜的设计和优化中。然而,目前稀疏孔径超构透镜的研究仅限于单波长,通常难以应用到宽波段成像领域。笔者基于波前编码和稀疏孔径技术设计... 详细信息

光学稀疏孔径技术以其所具有的降低透镜加工面积、增大数值孔径和提升分辨率的能力被应用到超构透镜的设计和优化中。然而,目前稀疏孔径超构透镜的研究仅限于单波长,通常难以应用到宽波段成像领域。笔者基于波前编码和稀疏孔径技术设计了一种消色差稀疏孔径超构透镜。该消色差稀疏孔径超构透镜在加工面积降低至全孔径超构透镜25%的情况下,在可见光波段(400~700 nm)可实现与理想透镜一致的分辨率。该消色差稀疏孔径超构透镜既实现了对可见光波段的消色差,又解决了大孔径超构透镜的加工难题,具有加工成本低、消色差范围大、成像清晰等特点,在图像采集领域具有重要的应用价值。

关键词：光学器件超构透镜消色差光学稀疏孔径波前编码维纳滤波

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干涉仪仪器传递函数噪声容限分析与优化

光学精密工程 2024年第11期32卷 1653-1666页

作者：樊耀轩张文喜伍洲杨帅覃日康中国科学院空天信息创新研究院北京100094 中国科学院大学光电学院北京100049

在高精度平面干涉仪系统评价标准中,仪器传递函数(Instrument Transfer Function,ITF)已经逐渐成为干涉仪性能的重要评价指标,它准确地反映了光学系统对于测量形貌不同空间频率的分辨能力。然而,ITF测试过程中的实验环境要求较为严格,... 详细信息

在高精度平面干涉仪系统评价标准中,仪器传递函数(Instrument Transfer Function,ITF)已经逐渐成为干涉仪性能的重要评价指标,它准确地反映了光学系统对于测量形貌不同空间频率的分辨能力。然而,ITF测试过程中的实验环境要求较为严格,干涉仪系统噪声会导致测试结果产生较大失真。为了能够准确表征干涉仪系统的性能,通过仿真分析与实际实验结合的方式,将仿真干涉图引入不同量级的高斯随机噪声,探究了噪声对于ITF测试结果的影响,提出测试误差的评价指标ITF_(RMS)值,分析了干涉仪系统的噪声容限,依据评价指标提出了几种不同的ITF测试优化方法,并搭建实验系统进行分析验证。实验结果表明,在未优化的ITF测试流程中,所搭建的干涉仪系统ITF测试的ITF_(RMS)值为0.1112,而优化后同样噪声量级的干涉仪系统所得ITF_(RMS)值则分别降至0.0693,0.0367,0.0579。此结果证明了优化方案的可行性,该方案能有效抑制干涉仪系统ITF测试过程中的噪声干扰影响。

关键词：干涉测量斐索干涉仪仪器传递函数噪声容限

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激光多普勒测振啁啾噪声分析及其抑制方法

光学学报 2024年第5期44卷 86-92页

作者：王亚豪沈杨翊孔新新张文喜中国科学院空天创新信息研究院北京100094 中国科学院大学光电学院北京100049

根据外差激光多普勒测振过程的物理原理,分析了其在目标存在低频高速运动情况下测量高频低速振动的过程。在这一过程中,因杂散光而产生的测量噪声表现出啁啾特性,该研究还阐明了这种噪声的影响和表现形式、特点。针对此啁啾噪声,提出了... 详细信息

根据外差激光多普勒测振过程的物理原理,分析了其在目标存在低频高速运动情况下测量高频低速振动的过程。在这一过程中,因杂散光而产生的测量噪声表现出啁啾特性,该研究还阐明了这种噪声的影响和表现形式、特点。针对此啁啾噪声,提出了一种微分预处理解调方法,理论分析表明这种解调方法有明显的啁啾噪声抑制效果,并进一步进行了仿真和实验验证。搭建了存在杂散光的外差激光多普勒测振系统,对目标振动进行了测量,分别通过常规解调方法和微分预处理解调方法进行解调,实验结果验证了啁啾噪声的存在和微分预处理解调方法抑制啁啾噪声的有效性,该方法可使啁啾噪声功率下降约81.8%,可有效降低杂散光对测量结果的影响。

关键词：信号处理激光多普勒测振啁啾噪声杂散光微分预处理

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外差波前检测仪检测精度影响分析

光学学报 2024年第14期44卷 154-161页

作者：戴玉张文喜孔新新赵思泽鹏徐豪邓哲涛中国科学院空天信息创新研究院北京100094 中国科学院大学光电学院北京101400

外差波前检测仪主要用于检测空间光与光纤耦合的环形器耦合效率以及装调过程,其具有检测精度高、环境适应性好等优点。基于其检测原理,分析声光移频器固定频率偏差、声光移频器随机频率偏差、探测器固定帧频偏差和探测器散粒噪声对检测... 详细信息

外差波前检测仪主要用于检测空间光与光纤耦合的环形器耦合效率以及装调过程,其具有检测精度高、环境适应性好等优点。基于其检测原理,分析声光移频器固定频率偏差、声光移频器随机频率偏差、探测器固定帧频偏差和探测器散粒噪声对检测精度的影响,单一因素引起的检测波前PV(Peak to valley)值变化在10-3λ量级。实验验证了仿真分析的有效性,系统的综合精密度优于0.01λ。研究结果为研制外差波前检测仪提供理论支撑。

关键词：测量外差干涉测量光纤失配频差偏差帧频偏差波前检测

基于二维磁光阱的增强型^(199)Hg冷原子团制备

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物理学报 2024年第1期73卷 140-148页

作者：余泽鑫刘琪鑫孙剑芳徐震中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室上海201800 中国科学院大学北京100049

在精密测量领域中,高效地制备冷原子团具有重要的意义.在光晶格钟里,缩短冷原子团的制备时间可以降低Dick噪声,从而提高光晶格钟的稳定性.本文采用二维磁光阱加推送光的构型提高了三维磁光阱在超高真空环境中的装载率,并通过压缩磁光阱... 详细信息

在精密测量领域中,高效地制备冷原子团具有重要的意义.在光晶格钟里,缩短冷原子团的制备时间可以降低Dick噪声,从而提高光晶格钟的稳定性.本文采用二维磁光阱加推送光的构型提高了三维磁光阱在超高真空环境中的装载率,并通过压缩磁光阱技术降低了原子团温度,实现了用于^(199)Hg光晶格钟的增强型冷原子团制备.实验上通过优化三维和二维磁光阱的失谐量和磁场梯度以及推送光的失谐量和功率等参数,将三维磁光阱的^(199)Hg冷原子装载率增强了51倍,提升至3.1×10^(5)s^(–1),然后使用压缩磁光阱技术将^(199)Hg冷原子团的温度降低至45μK,低于多普勒冷却理论温度.这种基于二维磁光阱的增强型冷原子团制备可在超真空环境下实现对三维磁光阱装载率的高增益,有效地缩短了冷原子团的制备时间,同时也降低了原子团的温度,有利于提高光晶格的转移效率,为其他冷原子实验中冷汞原子团制备提供了有效方案.

关键词：汞原子光晶格钟激光冷却二维磁光阱

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非线性最小二乘法在傅里叶变换红外光谱定量分析中的误差估计

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光子学报 2024年第4期53卷 20-31页

作者：李新春刘建国徐亮沈先春徐寒杨束胜全王钰豪金岭邓亚颂孙永丰中国科学技术大学环境科学与光电技术学院合肥230026 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室合肥230031

根据统计学的参数估计理论,提出在傅里叶变换红外光谱定量分析中使用非线性最小二乘法进行浓度反演的参数误差估计方法。实验中,通过光谱平均次数来控制噪声水平,以此来评估不同噪声水平下混合气体中各组分反演结果的估计误差。结果表明... 详细信息

根据统计学的参数估计理论,提出在傅里叶变换红外光谱定量分析中使用非线性最小二乘法进行浓度反演的参数误差估计方法。实验中,通过光谱平均次数来控制噪声水平,以此来评估不同噪声水平下混合气体中各组分反演结果的估计误差。结果表明,对于自研抽取式傅里叶变换红外光谱仪,8次平均光谱即可满足反演误差小于3%的需求,64次平均光谱的反演结果配合估计误差可以实现对平均浓度的覆盖率达到100%。随着噪声水平的降低,仪器、环境等非噪声因素的扰动是估计误差的主要部分。该方法在优化光谱定量分析的参数配置和指导光谱仪器系统设计等诸多方面具有重要的应用前景。

关键词：傅里叶变换红外光谱定量分析非线性最小二乘多组分误差估计

电子温度各向异性对螺旋波m=1角向模功率沉积特性的影响

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物理学报 2024年第7期73卷 262-270页

作者：李文秋唐彦娜刘雅琳王刚中国科学院空天信息创新研究院北京100190 中国科学院大学北京100049

采用一般的径向密度非均匀分布假设,借助温等离子体介电张量模型,利用磁化等离子体中电磁波的一般色散关系,在高密度峰值、低磁场、低气压典型参量条件下,重点分析了电子温度各向异性对螺旋波m=1角向模功率沉积特性的影响.研究结果表明... 详细信息

采用一般的径向密度非均匀分布假设,借助温等离子体介电张量模型,利用磁化等离子体中电磁波的一般色散关系,在高密度峰值、低磁场、低气压典型参量条件下,重点分析了电子温度各向异性对螺旋波m=1角向模功率沉积特性的影响.研究结果表明:在典型螺旋波等离子体电子温度范围(3,8)e V内,电子有限拉莫尔半径效应应当予以考虑,而离子有限拉莫尔半径效应可以忽略.低磁场条件下|n|>1次回旋谐波对介电张量元素的贡献可以忽略.碰撞阻尼在功率沉积中占据主导地位,功率沉积在偏离等离子体柱中心轴的某一径向位置出现峰值,随着轴向电子温度T_(e,z)的增大,功率沉积强度逐渐增强.相比等离子体温度各向同性情形,等离子体温度各向异性显著改变了螺旋波m=1角向模的功率沉积特性,电子温度各向异性因子χ=T_(e,⊥)/T_(e,z)的增大或减小均导致功率沉积强度发生剧烈改变.

关键词：螺旋波等离子体各向异性传播特性功率沉积