提出一种基于超磁致伸缩材料(GMM)和光纤光栅(FBG)的无源非接触型电流传感器,利用COMSOL软件对参考GMM位置以及聚磁装置预留伸缩空间大小及方向、截面边长和上方开口长度等参数进行分析和优化,保证传感FBG粘接区域内的磁力线密集且均匀分布,最后通过双光栅-强度解调系统实现电流信号的温度无关性测量。传感器交直流特性测试表明,传感器在0.8~3.5 A的直流输入下的灵敏度为249.75 mV/A,线性相关系数高达0.9942;在1.6 A的偏置电流作用下,传感器对50 Hz~6.5 kHz的正弦输入信号具有良好的响应能力。同时传感器的温度特性测试证明,双光栅-强度解调方法可在很大程度上消除环境温度变化对输出电压的影响。本文提出的传感器具有体积小、结构简单、性能稳定和成本低等优点,并且具有温度无关特性。

提出了一种全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统,选用Nd…YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0 nm作为激励波长,避开了强烈的太阳背景光对系统探测大气温度的影响。设计了一种新型三次衍射式双光栅多色仪作为激光雷达的分光系统。仿真结果表明,双光栅多色仪可实现Stokes与Anti-Stokes高低量子数通道转动拉曼谱线的有效提取,对米-瑞利弹性散射信号的抑制率可达到60~70 dB。充分考虑臭氧吸收和荧光对系统探测性能的影响,所设计的日盲紫外纯转动拉曼激光雷达采用模拟探测模式可在12 min的积分时间内实现2.2 km高度范围内大气温度的全天时探测。

在强背景下的窄线宽激光回光探测研究中, 采用光谱滤波的方式可以滤除背景光, 提高探测系统的信噪比; 对于光栅滤波系统而言, 考虑到信号光经过大气信道传输后会引起波前相位畸变, 而这会对系统的滤波性能产生一定影响, 故而有必要对其进行深入研究。针对光栅光谱滤波在激光大气传输探测方向的应用, 从激光大气传输理论和光栅衍射原理出发, 建立了光栅在入射光场为大气扰动光场时的光谱光强分布仿真模型, 分析了大气相干长度以及系统结构参数对系统性能的影响, 给出了光栅光谱滤波技术系统及大气适用条件, 当大气相干长度r0>0.05 m时, 得到了亚纳米级的光谱滤波线宽(半峰全宽FWHM为0.3 nm), 有效光谱的透射率也超过了0.90, 并通过大量仿真实验进行了验证。

为了抑制边缘纯转动拉曼光谱成像偏差, 提出了一种高精度测温拉曼激光雷达光谱仪光学系统设计。该系统利用非球面透镜组对光谱仪成像球差进行校正, 针对光谱仪10 mm/nm的线分辨率要求, 采用双光栅结构设计并对测温拉曼光谱仪各参数进行光线追迹, 拟合得到双光栅的入射角、准直镜焦距和聚焦镜焦距的最优值。将拟合最优化结果代入Zemax 软件进行优化分析, 结果显示单个成像光谱成像宽度控制在0.771 5 mm, 间隔0.1 nm的纯转动连续光谱成像中心间隔可以达到1 mm, 满足了线阵探测器对成像质量的要求。通过计算在J=6级的纯转动拉曼后向散射信号对瑞利-米散射信号实现了108抑制, 达到了高精度纯转动拉曼激光雷达测温的目的, 解决了目前双光栅光谱技术无法达到提取355 nm波段纯转动拉曼高光谱精度的要求, 对测温拉曼激光雷达的技术发展有着深远的意义。

与目前广泛应用的532 nm波段的发射波长相比, 采用355 nm波段发射波长进行大气温度观测对分光光谱仪的精度要求更高, 分光光谱仪的线色散率要达到0.1 nm/mm。提出了一种新型高线色散率纯转动拉曼激光雷达分光光谱仪, 通过设计双光栅结构来达到激光雷达纯转动拉曼回波信号分光的目的。利用Zemax软件进行设计, 模拟分析结果显示：间隔0.1 nm的两个相邻光谱在分光光谱仪聚焦镜焦平面处两个相邻谱线中心可以分开1 mm, 满足测温纯转动拉曼分光光谱仪线色散率达到0.1 nm/mm的要求。将实验得到的斯托克斯回波信号强度与理论计算结果进行对比, 验证了纯转动拉曼雷达中应用双光栅光谱仪的可行性。

为了研制一种测量边界层大气温度的激光雷达, 采用氮气和氧气的转动喇曼谱的强度比反演大气温度垂直分布的方法, 对转动喇曼激光雷达系统进行了理论分析与实验研究, 取得了边界层内的大气温度数据。结果表明, 该激光雷达测量的大气温度在0km～2.5km处与大气模式表现出了较好的一致性, 激光能量为100mJ, 测量时间约为17min, 垂直分辨率为7.5m;2.5km处信号随机起伏引起的统计误差达到1K, 可以对边界层内2.5km以下的大气温度进行高精度测量; 如果要使测量的高度进一步增加, 可以增大激光脉冲的能量或选用口径大的望远镜。这对探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达系统的研制提供了有益的指导。

为了满足太阳光谱在170~380 nm波段的精确观测需求, 设计了波长重复性精度优于±002 nm的紫外双光栅光谱仪。波长扫描机构是双光栅光谱仪的关键组件, 根据凹面光栅色散原理, 将光学设计指标转换为波长扫描机构设计的输入参数, 分析了影响光谱仪波长重复性精度的误差源。根据分析结果得知, 丝杠的重复定位误差是影响波长重复性的主要误差源。选用重复定位精度为±2 μm的丝杠设计了波长扫描机构, 并对光谱仪整机进行了设计。以汞灯光源对光谱仪的波长重复性指标进行了验证实验。实验结果表明, 设计的光谱仪波长重复性介于-0005~+0007 nm之间, 满足波长重复性优于±002 nm的指标要求。

基于双多层介质膜衍射(MLD)光栅的超窄带光谱滤波系统可以获得普通窄带滤光片无法实现的亚纳米级超窄光谱滤波宽度, 利用该系统有望极大地提高激光回光探测系统的信噪比和抗干扰能力。设计了一套基于双MLD色散补偿光栅的超窄带光谱滤波系统, 使用CODE V软件对系统像差进行理论仿真, 发现系统像差可忽略不计; 使用Matlab软件对系统的滤波线宽和有效能量透过率进行理论仿真, 为解决实际滤波问题时, 根据实际需求选择最优系统结构参数提供了较完整的理论基础。最后, 在实验室采用国产多层介质膜光栅, 在1064 nm中心波长段, 成功将光谱半峰全宽(FWHM)为0.3 nm的入射激光转换为光谱FWHM为0.03 nm的出射激光。

为满足红外双光栅光谱仪波长重复性±0.05 nm的指标要求，设计了光谱仪的波长扫描机构，分析了影响波长重复性的误差源。根据光谱仪结构特点和指标要求，设计了基于丝杠和摆杆的正弦机构作为波长扫描机构，依据凹面光栅扫描原理，推导了光机参数转换公式，分析了各误差源对波长扫描机构的影响。分析结果表明，在丝杠重复定位精度为±1.2 μm时，光谱仪在760~2200 nm波段范围内的重复性应优于±0.05 nm。设计了红外双光栅光谱仪原理样机，并进行了实验验证。以汞灯为光源对其多个特征波长进行7次扫描，计算波长扫描机构在特征波长处的波长重复性。实验结果表明，光谱仪的波长重复性为-0.038~0.041 nm，波长扫描机构满足使用要求。

理论和实验研究了一种基于双多层电介质膜(MLD)光栅色散补偿构型设计的光谱合成激光器，该激光器既实现了多路光纤激光高光束质量共孔径光谱合成输出，也降低了单路光纤激光的线宽要求。优化了该激光器的光束质量退化分析模型，分析了激光波长、光栅色散和光谱结构对光谱合成输出光束质量的影响，实验研究了不同功率水平下的光谱合成输出光束质量变化特性，获得了最大输出功率为9.6 kW的高光束质量共孔径合成输出，光束质量M2为2.9，合成效率达到92.0%。通过进一步压缩每路光纤激光的线宽并提升其功率或增加合成路数，可以获得更高功率和更高光束质量水平的共孔径激光输出。