氟化氫泛頻20P4,20P5激光譜線大氣傳輸性能實驗

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:100124322(2002)0520685204氟化氫泛頻20P4,20P5激光譜線大氣傳輸性能實驗楊維東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.中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所,四川綿陽621900;2.中國工程物理研究院科技部,四川綿陽621900;3.中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所,四川綿陽621900)摘要:采用氟化氫泛頻化學(xué)激光器作光源,在室外實際大氣中測量了氟化氫泛頻激光20P4、20P

2、5譜線的大氣透過率,分析計算了其大氣消光系數(shù)和大氣吸收系數(shù)。實驗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;透過率;吸收系數(shù)中圖分類號:TN248.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A氟化氫泛頻(Overtone)化學(xué)激光與氧碘化學(xué)激光,都具有波長短等優(yōu)點,但由于氟化氫泛頻激光是多波長激光輸出,各譜線在大氣中的傳輸性能各不相同。目前對氧碘化學(xué)激光和氟化氘化學(xué)激光的大氣透過率均已進(jìn)行過實際大氣傳輸實驗,測量出實際大氣的透過率1,2。但對氟化氫泛頻化學(xué)激光的大氣透過率只有理論計算,而未見有在實際大氣中進(jìn)行氟化氫泛頻激光大氣透過率的

3、實驗研究工作的報道。理論計算表明:這些譜線的大氣傳輸性能具有較大差異(有23個數(shù)量級之差),其中20P4譜線性能最好,20P3譜線次之。我們實驗研究了氟化氫泛頻激光20P4,20P5譜線的大氣傳輸性能。1實驗原理光束在大氣中傳輸時,大氣對光束的衰減主要由大氣的組分和狀態(tài),以及光束波長等因素決定。而光束在低層大氣中傳輸時的效應(yīng)遠(yuǎn)比在對流層和同溫層傳輸時復(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,為簡化計算,可以把大氣視為均勻介質(zhì),即總透過率T為(1)T=exp(-L)上式中L是傳輸距離;是大氣對光束的衰減系數(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際大氣中傳輸時,影響其透過率的主要因素是氣溶膠粒子散波長在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小量,在此可并入大氣分子吸收系數(shù)來考慮。另外,在此波段可以不考慮大氣分子對光束的散射衰減2,即在(2)式中忽略S項。由此,我們實驗中獲得的氟化氫泛頻激光水平傳輸大氣透過率為THFO=exp-(H+X(HFO)L(3)對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)驗公式來估算其消光系數(shù)=()q(4)VMm);q是能見度-波長修正因子,它是一個與波長有關(guān)的常數(shù),式中VM是大氣能見度(km);是輻射波長(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基金項目:國家863激光技術(shù)領(lǐng)域資助課題(863241021)作者簡介: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,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=0.6328而大氣氣體分子吸收等作用可以忽略不計,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激光的大氣透過率THe2Ne=e-為降低因能見度測量誤差而造成的數(shù)據(jù)偏差,可以使用0.6328并通過(6),(7)式來估算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、是實驗測得的He2Ne激光和HF泛頻激光的大氣透過率;He2Ne和HFO分別是He2Ne激光和HF泛頻激光的波長。而在此實驗條件下HF泛頻激光的單位傳輸距離的大氣透過率T為T)(10)T=exp(L2實驗m的大氣透實驗系統(tǒng)如下圖1所示,He2Ne激光管發(fā)出的激光除作導(dǎo)引光外,同時作為波長=0.6328過率測量的光源,并以該波長的大氣透過率來估算整個實驗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。兩種波長的激光均通過口徑為<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<300mm(f=2m)的全反射凹面鏡M5會聚光束進(jìn)入探頭1,此測量結(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,此測量值用于監(jiān)測激光輸出功率的變化。Fig.1Layoutofexperiment圖1實驗布局3實驗結(jié)果及分析實驗期間的氣候條件為陰天,氣溫12、相對濕度92%,風(fēng)力01級,能見度約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驗687地灌木,光程距地面高度1.2m,傳輸距離205m。實驗同時測量He2Ne激光和氟化氫泛頻激光各譜線的傳輸效率。實驗結(jié)果如表1所示。按誤差傳遞公式,由(8)式可得(波長誤差忽略不計)X(HFO)2=5THe2Ne2()22X(HFO)+5L222X(HFO)=THe2NelnTHe22+L2(11)實驗中測得THe2Ne=91.9%,其相對誤差為10%,傳輸距離L為0.205km,其相對誤差為1%,則由(11)式HFO/HFO14%。可得相對誤差同理可得X(HFO)/X(HFO)10%。表1實驗結(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:在上述實驗條件下,底層大氣對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20P5譜線的吸收遠(yuǎn)大于對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)理論計算出中緯度夏季氧碘化學(xué)激光(COIL)(=1.315見表2(溫度21,相對濕度64%,能見度10km時)。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,實驗數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)相比,其值偏小。其主要原因可能是由于實驗條件下,大氣的相對濕度比理論計算條件高得多,同時鑒于實驗條件所限,沒有對大氣中氫化物的組分進(jìn)行測量,而氫化物在此

13、波段也具有強(qiáng)吸收譜帶;實驗值中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,這說明20P5譜線比20P4譜線對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)來實現(xiàn)6。參考文獻(xiàn):m光解碘激光的大氣透過率測量實驗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

14、ndParticleBeams,1993,C,ShaoSS,etal.Measurementofatmospherictransmittancesfor1.3155(4):527530)2吳際華,浦達(dá)生,陳小華,等.DF/HF化學(xué)激光大氣衰減的測量J.中國激光,1983,10(11):792794.(WuJH,PuDS,ChenXH,etal.MeasurementofatmosphericattenuationofDF/HFchemicallaserradiation.ChineseJournalofLasers,1983,10(11):792794)3宋正方,魏合理.常見激光大氣傳輸性能計

15、算J.強(qiáng)激光技術(shù)進(jìn)展,1996,(1):14.(SongZF,WeiHL.Computationofatmospherictrans2mittancesoffamiliarlaser.Progressinhighpowerlasertechnology,1996,(1):14)4ZeisseCR,NenerBD,DeweesRV.Measurementoflow2altitudeinfraredpropagationJ.AppliedOptics,2000,39(6):873886.5莊琦,桑鳳亭,周大正.短波長化學(xué)激光M.北京,國防工業(yè)出版社,1997.(ZhuangQ,SangFT,Zho

16、uDZ.Short2wavelengthchemicallaser.Beijing:NationalDefenceIndustryPress,1997)© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.688強(qiáng)激光與粒子束第14卷6劉冬燕,楊維東,金行星,等.運行參數(shù)對HF泛頻化學(xué)激光器輸出功率和譜線的影響J.強(qiáng)激光與粒子束,1997,9(4):511514.(LiuDY,YangWD,JinXX,etal.TheeffectofparameteronHFovertonechemicall

17、aserpowerandspectrum.HighPowerLaserandParticleBeams,1997,9(4):511514.)Experimentalofatmospherictransmittancesfor20P4and20P5linesofHFovertonelaserYANGWei2dong1,LIUDong2yan2,JINXing2xing3,SONGYing2song1,RENXing2bi3,LIUFeng2xiang3,LUANYong2ping3,JINJing1(1.InstituteofAppliedElectronics,CAEP,P.O.Box9192

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