基于二極管泵浦翠綠寶石激光器的新一代激光雷達系統(tǒng)正在推動大氣科學(xué)的發(fā)展，可以為海拔高達100公里的地區(qū)提供全天候的風(fēng)和溫度數(shù)據(jù)。

德國萊布尼茨大氣物理研究所(IAP)的科學(xué)家Josef H?ffner說:“它幾乎有激光工程師能想象到的所有問題?！?/p>

雖然使用翠綠寶石作為激光晶體存在固有的挑戰(zhàn)，但翠綠寶石激光器是用于突破性大氣研究的激光雷達系統(tǒng)的一個有前景的工具。

翠綠寶石在紅色和近紅外區(qū)域提供了寬的發(fā)射波段，并且長時間的存儲以致高脈沖能量，盡管介質(zhì)固有的挑戰(zhàn)，這使得翠綠寶石成為在上層大氣中定位金屬原子(如鉀)的首選激光源。這些特性也有助于H?ffner解釋為什么在大氣科學(xué)中使用翠綠寶石激光器超過30年。

在20世紀(jì)90年代，他為大氣激光雷達測量建立了第一個閃光燈泵浦翠綠寶石系統(tǒng)。他推動它提供窄帶寬和合理的高脈沖功率。作為同類系統(tǒng)中唯一的可移動系統(tǒng)，H?ffner的早期翠綠寶石激光系統(tǒng)從北極到南極旅行了世界。

Leibniz IAP的早期翠綠寶石激光雷達系統(tǒng)(攝于南極洲的戴維斯站)作為第一個能夠在海拔約100公里處捕捉大氣測量的可移動激光雷達系統(tǒng)周游世界。在這種情況下，“可移動”意味著它裝滿了一個標(biāo)準(zhǔn)化的集裝箱，需要30千瓦的電力才能運行。由Josef H?ffner/Leibniz IAP提供。

激光諧振器，包括所有的電子設(shè)備和望遠鏡，勉強能裝進一個標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱，總重量為10噸。該系統(tǒng)需要30千瓦的功率來運行，需要一個訓(xùn)練有素的操作員來進行激光操作。

“這是一個偉大的系統(tǒng)，但它的運行是不可持續(xù)的，”H?ffner說。因此，在21世紀(jì)初，他尋找合作伙伴來幫助他更新激光技術(shù)，以消耗更少的能量，使更緊湊和可運輸?shù)拇髿饧す饫走_系統(tǒng)能夠在惡劣的環(huán)境中提供可靠的24/7運行。他在德國亞琛的夫瑯和費激光技術(shù)研究所(ILT)找到了合作者。

翠綠寶石基激光雷達系統(tǒng)的完整諧振腔長度為2米(上)。由于光束路徑的廣泛折疊，系統(tǒng)可以安裝在一個小面包板上(底部)。由Fraunhofer ILT提供。

又花了10年的合作研究，將這項技術(shù)發(fā)展到滿足所有要求的程度，使萊布尼茨IAP和夫瑯和費ILT的團隊能夠進一步探測大氣層。

探索高地

大氣激光雷達系統(tǒng)的參數(shù)是根據(jù)系統(tǒng)所要分析的大氣物理來確定的。首先是風(fēng)，激光雷達通過多普勒頻移測量由移動的大氣粒子引起的后向散射光的變化。接下來，激光雷達通過多普勒展寬測量溫度。

這兩種測量都依賴于光散射效應(yīng)，比如由空氣分子引起的光的瑞利散射，這種效應(yīng)使天空看起來是藍色的。用瑞利散射法測量高度可達60公里。米散射是由大氣中的灰塵或火山灰等氣溶膠引起的，通過米散射進行測量，在海拔約30公里的地方效果很好。

基于二極管泵浦翠綠寶石激光器的激光雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)出一個垂直光束和四個傾斜光束，以捕捉100公里及以上高度的水平和垂直風(fēng)成分。由Fraunhofer ILT/Ralf Baumgarten提供。

對于60公里以上的高度，通過共振散射進行測量是可行的。基于這種效應(yīng)的大氣激光雷達測量依賴于隕石或太空垃圾在進入大氣層時燃燒成灰塵時留下的金屬原子的散射。正是在這個區(qū)域，航天飛機的機頭在重返大氣層時開始發(fā)光(在大約120公里處)，在大約80到100公里處可以看到隕石。

但是，由于碎片中的金屬原子很少分散在這樣的高度，地面激光雷達系統(tǒng)必須具有在這樣的高度測量每立方厘米一個原子的功率和靈敏度。雖然金屬原子濃度較低，但共振散射的散射截面比其他散射效應(yīng)的散射截面大幾個數(shù)量級。因此，激光雷達專家喜歡使用這種星塵來進行測量。值得注意的是，現(xiàn)代天文學(xué)家所依賴的導(dǎo)航星通常是離地球表面90公里的單個金屬(鈉)原子。

大氣激光雷達的激光設(shè)計

Fraunhofer ILT的團隊首先設(shè)計了一個用于單橫向和縱向模式操作的二極管泵浦裝置。單橫向模式(或TEM00)激光泵浦僅在激光晶體的核心，這是很難實現(xiàn)使用橫向(即閃光燈)泵浦配置。因此，該團隊將二極管激光器聚焦成一個聚焦直徑為0.8毫米的雙錐。

翠綠寶石的吸收帶中心在600 nm左右。為了最大限度地減少由量子缺陷引起的熱產(chǎn)生，研究小組在這個吸收帶的上端選擇了一個泵浦波長，在638 nm。

由夫瑯和費ILT生產(chǎn)的第一個滿足所有光譜要求的翠綠寶石激光器在770 nm處輸出0.15 W。改進的泵浦光束整形(偏振耦合和對稱)使輸出功率達到0.8 W。經(jīng)過幾次迭代，峰值功率為400 W的光纖耦合泵浦源在500 hz重復(fù)頻率下實現(xiàn)了輸出高達2.3 W或4.6 mJ的系統(tǒng)。在750hz時，激光的輸出甚至達到2.7 W，或3.6 mJ。

來自萊布尼茨IAP和夫勞恩霍夫ILT的團隊于2022年11月會面，在VAHCOLI項目的四個激光雷達系統(tǒng)之一安裝新一代翠綠寶石激光器。由Fraunhofer ILT/Ralf Baumgarten提供。

用于VAHCOLI項目的激光雷達的照片和技術(shù)圖紙。一些重要的部件可以從圖中看出來，比如望遠鏡、激光機和PC機。溫度控制和穩(wěn)定(不同部分不同)是通過通風(fēng)和水冷卻系統(tǒng)來實現(xiàn)的。

夫瑯和費ILT的團隊也在進一步開發(fā)該系統(tǒng)的放大級。下一個議程是一個旨在探測紫外線波長的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以瞄準(zhǔn)80公里以外大氣層中的鐵原子。這些計劃包括為激光器開發(fā)腔內(nèi)二次諧波發(fā)生器，以提供更高的效率和更好的長期穩(wěn)定性。

基礎(chǔ)技術(shù)也將實際大氣研究提升到一個新的水平。兩套基于現(xiàn)有設(shè)計的新型紫外激光雷達系統(tǒng)將在歐洲各地進行大氣測量活動。它們加起來將占地約1萬平方公里，海拔從5公里到約100公里不等。該計劃是將他們的數(shù)據(jù)實時輸入歐洲的數(shù)據(jù)庫。

來自夫瑯和費ILT和萊布尼茨IAP的不斷壯大的團隊將繼續(xù)合作。未來，他們的系統(tǒng)將為氣候模型提供大量輸入。這是人類第一次能夠長時間測量天空中大面積的氣候數(shù)據(jù)。

中國第39次南極考察隊給中國科學(xué)院大氣物理研究所發(fā)元旦賀電

在2023元旦來臨之際，中國第39次南極考察隊給中國科學(xué)院大氣物理研究所全體職工發(fā)來賀電，感謝中國科學(xué)院大氣物理研究所對極地事業(yè)的長期關(guān)心和大力支持。

中國科學(xué)院大氣物理研究所班超博士于2022年10月31日搭乘“雪龍?zhí)枴睆纳虾⒑?，赴南極中山站進行科學(xué)考察，主要開展極區(qū)大氣激光雷達遙感探測和大氣動力學(xué)及上下（層）耦合方面的研究。

在中山站外