氟化氫泛頻20P4,20P5激光譜線大氣傳輸性能實(shí)驗(yàn)

1、第14卷第5期2002年9月強(qiáng)激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.14,No.5Sep.,2002文章編號(hào):100124322(2002)0520685204氟化氫泛頻20P4,20P5激光譜線大氣傳輸性能實(shí)驗(yàn)楊維東1,劉冬燕2,金行星3,宋影松1,任興碧3,劉豐香3,欒永平3,金晶1(1.中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所,四川綿陽(yáng)621900;2.中國(guó)工程物理研究院科技部,四川綿陽(yáng)621900;3.中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所,四川綿陽(yáng)621900)摘要:采用氟化氫泛頻化學(xué)激光器作光源,在室外實(shí)際大氣中測(cè)量了氟化氫泛頻激光20P4、20P

2、5譜線的大氣透過(guò)率,分析計(jì)算了其大氣消光系數(shù)和大氣吸收系數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明氟化氫泛頻激光處于大氣傳輸窗口邊緣,其譜線的大氣傳輸性能差異很大,證實(shí)了20P4是氟化氫泛頻選頻的首選譜線。關(guān)鍵詞:氟化氫泛頻;透過(guò)率;吸收系數(shù)中圖分類號(hào):TN248.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A氟化氫泛頻(Overtone)化學(xué)激光與氧碘化學(xué)激光,都具有波長(zhǎng)短等優(yōu)點(diǎn),但由于氟化氫泛頻激光是多波長(zhǎng)激光輸出,各譜線在大氣中的傳輸性能各不相同。目前對(duì)氧碘化學(xué)激光和氟化氘化學(xué)激光的大氣透過(guò)率均已進(jìn)行過(guò)實(shí)際大氣傳輸實(shí)驗(yàn),測(cè)量出實(shí)際大氣的透過(guò)率1,2。但對(duì)氟化氫泛頻化學(xué)激光的大氣透過(guò)率只有理論計(jì)算,而未見(jiàn)有在實(shí)際大氣中進(jìn)行氟化氫泛頻激光大氣透過(guò)率的

3、實(shí)驗(yàn)研究工作的報(bào)道。理論計(jì)算表明:這些譜線的大氣傳輸性能具有較大差異(有23個(gè)數(shù)量級(jí)之差),其中20P4譜線性能最好,20P3譜線次之。我們實(shí)驗(yàn)研究了氟化氫泛頻激光20P4,20P5譜線的大氣傳輸性能。1實(shí)驗(yàn)原理光束在大氣中傳輸時(shí),大氣對(duì)光束的衰減主要由大氣的組分和狀態(tài),以及光束波長(zhǎng)等因素決定。而光束在低層大氣中傳輸時(shí)的效應(yīng)遠(yuǎn)比在對(duì)流層和同溫層傳輸時(shí)復(fù)雜4,其衰減系數(shù)(x)是大氣參數(shù)的函數(shù)。當(dāng)光束在大氣中水平傳輸時(shí),為簡(jiǎn)化計(jì)算,可以把大氣視為均勻介質(zhì),即總透過(guò)率T為(1)T=exp(-L)上式中L是傳輸距離;是大氣對(duì)光束的衰減系數(shù),它由大氣分子的吸收系數(shù)、散射系數(shù)S和大氣氣溶膠粒子的消光系數(shù)X

4、組成,即=+S+X(2)m的氟化氫泛頻激光在實(shí)際大氣中傳輸時(shí),影響其透過(guò)率的主要因素是氣溶膠粒子散波長(zhǎng)在1.31.4射,其次是大氣中水汽分子的吸收,而大氣分子的其它影響則是一個(gè)小量,在此可并入大氣分子吸收系數(shù)來(lái)考慮。另外,在此波段可以不考慮大氣分子對(duì)光束的散射衰減2,即在(2)式中忽略S項(xiàng)。由此,我們實(shí)驗(yàn)中獲得的氟化氫泛頻激光水平傳輸大氣透過(guò)率為T(mén)HFO=exp-(H+X(HFO)L(3)對(duì)于以大氣氣溶膠粒子的散射為主要消光因素的輻射傳輸,通常以下列的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算其消光系數(shù)=()q(4)VMm);q是能見(jiàn)度-波長(zhǎng)修正因子,它是一個(gè)與波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù),式中VM是大氣能見(jiàn)度(km);是輻射波長(zhǎng)(其

5、取值為0.585VM,VM<6kmq=1.3,6kmVM20km1.6,VM>20km(5)收稿日期:2002201204;修訂日期:2002205213基金項(xiàng)目:國(guó)家863激光技術(shù)領(lǐng)域資助課題(863241021)作者簡(jiǎn)介:楊維東(19672),男,副研究員,主要從事化學(xué)激光技術(shù)等方面的研究;綿陽(yáng)91921011信箱。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.686強(qiáng)激光與粒子束第14卷m的He2Ne激光在大氣中傳輸時(shí),其衰減主要是由于大氣氣溶膠粒子散射作用的結(jié)果,波

6、長(zhǎng)=0.6328而大氣氣體分子吸收等作用可以忽略不計(jì),由(4)式得He2Ne激光的消光系數(shù)為He2NeHe2Ne=()q(6)VMHe2Ne而HF泛頻激光的大氣氣溶膠粒子散射的消光系數(shù)為()X(HFO)=VMHFOq(7)He2NeLm激光的大氣透過(guò)率THe2Ne=e-為降低因能見(jiàn)度測(cè)量誤差而造成的數(shù)據(jù)偏差,可以使用0.6328并通過(guò)(6),(7)式來(lái)估算HF泛頻激光的大氣氣溶膠粒子散射的消光系數(shù),即qq)=(-)()X(HFO)=He2Ne(HFOHFOL由(3)式和(8)式可得氟化氫泛頻激光的大氣吸收系數(shù)HFO為HFO()q=L,(8)(9)(8),(9)兩式中,THe2Ne和THFO分別

7、是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的He2Ne激光和HF泛頻激光的大氣透過(guò)率;He2Ne和HFO分別是He2Ne激光和HF泛頻激光的波長(zhǎng)。而在此實(shí)驗(yàn)條件下HF泛頻激光的單位傳輸距離的大氣透過(guò)率T為T(mén))(10)T=exp(L2實(shí)驗(yàn)m的大氣透實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如下圖1所示,He2Ne激光管發(fā)出的激光除作導(dǎo)引光外,同時(shí)作為波長(zhǎng)=0.6328過(guò)率測(cè)量的光源,并以該波長(zhǎng)的大氣透過(guò)率來(lái)估算整個(gè)實(shí)驗(yàn)光程上大氣氣溶膠粒子的消光系數(shù)。He2Ne激光經(jīng)全反鏡反射后進(jìn)入泛頻激光裝置,作為泛頻激光的基準(zhǔn),使泛頻激光的光軸中心與此激光束中心重合,然后再以此為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)空間濾波器、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡以及各反射鏡和探頭。兩種波長(zhǎng)的激光均通過(guò)口徑為<120mm的

8、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡發(fā)射。激光經(jīng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡后,再由近端45°反射鏡M3,遠(yuǎn)端反射鏡M4,返回至接收端,在接收端用一個(gè)<300mm(f=2m)的全反射凹面鏡M5會(huì)聚光束進(jìn)入探頭1,此測(cè)量結(jié)果為傳輸后的數(shù)據(jù)。分光鏡M2后的一部分光束經(jīng)聚焦鏡M6進(jìn)入探頭2,此測(cè)量值用于監(jiān)測(cè)激光輸出功率的變化。Fig.1Layoutofexperiment圖1實(shí)驗(yàn)布局3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)期間的氣候條件為陰天,氣溫12、相對(duì)濕度92%,風(fēng)力01級(jí),能見(jiàn)度約10km,光束下墊面是平© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights

9、 reserved.第5期楊維東等:氟化氫泛頻20P4,20P5激光譜線大氣傳輸性能實(shí)驗(yàn)687地灌木,光程距地面高度1.2m,傳輸距離205m。實(shí)驗(yàn)同時(shí)測(cè)量He2Ne激光和氟化氫泛頻激光各譜線的傳輸效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。按誤差傳遞公式,由(8)式可得(波長(zhǎng)誤差忽略不計(jì))X(HFO)2=5THe2Ne2()22X(HFO)+5L222X(HFO)=THe2NelnTHe22+L2(11)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得THe2Ne=91.9%,其相對(duì)誤差為10%,傳輸距離L為0.205km,其相對(duì)誤差為1%,則由(11)式HFO/HFO14%?？傻孟鄬?duì)誤差同理可得X(HFO)/X(HFO)10%。表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果Ta

10、ble1ExperimentalresultwavelengthNo.132133134135atmospherictransmittances(-1attenuationcoefficient)absorptioncoefficientextinctioncoefficient/m1.3211.3211.3301.330777610110.2570.2732.2772.243-1/km0.0980.1142.1172.083-1/km-10.1590.1580.1600.160m5)譜線的衰減系數(shù)為0.26從表1可以看出:在上述實(shí)驗(yàn)條件下,底層大氣對(duì)20P4(=1.32125m5)譜線的01

11、27km-1,其中散射系數(shù)為0.159km-1,吸收系數(shù)約為0.100.11km-1;對(duì)20P5(=1.33035衰減系數(shù)為2.242.28km-1,其中散射系數(shù)為0.160km-1,吸收系數(shù)約為2.082.12km-1。即底層大氣對(duì)20P5譜線的吸收遠(yuǎn)大于對(duì)20P4譜線的吸收,其吸收系數(shù)比20P4譜線高約20倍。m)和氟化氫泛頻激光各譜線的大氣吸收系數(shù)理論計(jì)算出中緯度夏季氧碘化學(xué)激光(COIL)(=1.315見(jiàn)表2(溫度21,相對(duì)濕度64%,能見(jiàn)度10km時(shí))。表2COIL及HF泛頻激光的大氣吸收系數(shù)3Table2AbsorptioncoefficientofCOILandHFoverton

12、elaserinatmosphere3COIL20P41.3210.05420P51.3300.31820P61.3400.72820P71.3513.1420P81.36240.920P91.37410.120P101.3877.06/m/km-11.3150.098從表2可知,理論計(jì)算的氟化氫泛頻化學(xué)激光的大氣吸收系數(shù)與COIL相比,只有20P4譜線的大氣傳輸性能好于COIL,其它譜線的性能相差太遠(yuǎn)。從表1與表2可得,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)相比,其值偏小。其主要原因可能是由于實(shí)驗(yàn)條件下,大氣的相對(duì)濕度比理論計(jì)算條件高得多,同時(shí)鑒于實(shí)驗(yàn)條件所限,沒(méi)有對(duì)大氣中氫化物的組分進(jìn)行測(cè)量,而氫化物在此

13、波段也具有強(qiáng)吸收譜帶;實(shí)驗(yàn)值中20P5譜線的大氣吸收系數(shù)比20P4譜線高約20倍,而理論值則只高約6倍,這說(shuō)明20P5譜線比20P4譜線對(duì)大氣中水氣或氫化物含量更敏感,亦即,氟化氫泛頻化學(xué)激光譜線正位于大氣窗口邊緣。氟化氫泛頻化學(xué)激光要想達(dá)到較好的大氣透過(guò)率,就必須嚴(yán)格控制激光器的輸出譜線,使其正好處于大氣傳輸性能最好的20P4譜線,這可以采用選頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)6。參考文獻(xiàn):m光解碘激光的大氣透過(guò)率測(cè)量實(shí)驗(yàn)J.強(qiáng)激光與粒子束,1993,5(4):5271楊高潮,韓守春,邵石生,等.1.315530.(YangGC,HanSmphotolyticiodinelaser.HighPowerLasera

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18、1011,Mianyang621900,China;2.DepartmentofScienceandTechnology,CAEP,Mianyang621900,China;3.InstituteofNuclearPhysicsandChemistry,CAEP,Mianyang621900,China)Abstract:Inthispaper,theatmospherictransmittances,theattenuationcoefficientandtheabsorptioncoefficientofspectrumlines20P4and20P5ofHFovertonelaserarestudied.Theattenuationcoefficientof20P4is0.260.27km-1,andthatof20P5is2.242.28km-1.Theabsorptio