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

德國(guó)萊布尼茨大氣物理研究所(IAP)的科學(xué)家Josef H?ffner說(shuō):“它幾乎有激光工程師能想象到的所有問(wèn)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(dá)系統(tǒng)的一個(gè)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(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)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(guò)30年。

在20世紀(jì)90年代，他為大氣激光雷達(dá)測(cè)量建立了第一個(gè)閃光燈泵浦翠綠寶石系統(tǒng)。他推動(dòng)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(dòng)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(dá)系統(tǒng)(攝于南極洲的戴維斯站)作為第一個(gè)能夠在海拔約100公里處捕捉大氣測(cè)量的可移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)周游世界。在這種情況下，“可移動(dòng)”意味著它裝滿了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的集裝箱，需要30千瓦的電力才能運(yùn)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(yuǎn)鏡，勉強(qiáng)能裝進(jìn)一個(gè)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(lái)運(yùn)行，需要一個(gè)訓(xùn)練有素的操作員來(lái)進(jìn)行激光操作。

“這是一個(gè)偉大的系統(tǒng)，但它的運(yùn)行是不可持續(xù)的，”H?ffner說(shuō)。因此，在21世紀(jì)初，他尋找合作伙伴來(lái)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(yùn)輸?shù)拇髿饧す饫走_(dá)系統(tǒng)能夠在惡劣的環(huán)境中提供可靠的24/7運(yùn)行。他在德國(guó)亞琛的夫瑯和費(fèi)激光技術(shù)研究所(ILT)找到了合作者。

翠綠寶石基激光雷達(dá)系統(tǒng)的完整諧振腔長(zhǎng)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(gè)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(xiàng)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(fèi)ILT的團(tuán)隊(duì)能夠進(jìn)一步探測(cè)大氣層。

探索高地

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

這兩種測(cè)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(lái)是藍(lán)色的。用瑞利散射法測(cè)量高度可達(dá)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(guò)米散射進(jìn)行測(cè)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(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)垂直光束和四個(gè)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(duì)于60公里以上的高度，通過(guò)共振散射進(jìn)行測(cè)量是可行的?；谶@種效應(yīng)的大氣激光雷達(dá)測(cè)量依賴于隕石或太空垃圾在進(jìn)入大氣層時(shí)燃燒成灰塵時(shí)留下的金屬原子的散射。正是在這個(gè)區(qū)域，航天飛機(jī)的機(jī)頭在重返大氣層時(shí)開(kāi)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(dá)系統(tǒng)必須具有在這樣的高度測(cè)量每立方厘米一個(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)。因此，激光雷達(dá)專家喜歡使用這種星塵來(lái)進(jìn)行測(cè)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(gè)金屬(鈉)原子。

大氣激光雷達(dá)的激光設(shè)計(jì)

Fraunhofer ILT的團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)了一個(gè)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(shí)現(xiàn)使用橫向(即閃光燈)泵浦配置。因此，該團(tuán)隊(duì)將二極管激光器聚焦成一個(gè)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(gè)吸收帶的上端選擇了一個(gè)泵浦波長(zhǎng)，在638 nm。

由夫瑯和費(fèi)ILT生產(chǎn)的第一個(gè)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(jìn)的泵浦光束整形(偏振耦合和對(duì)稱)使輸出功率達(dá)到0.8 W。經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)了輸出高達(dá)2.3 W或4.6 mJ的系統(tǒng)。在750hz時(shí)，激光的輸出甚至達(dá)到2.7 W，或3.6 mJ。

來(lái)自萊布尼茨IAP和夫勞恩霍夫ILT的團(tuán)隊(duì)于2022年11月會(huì)面，在VAHCOLI項(xiàng)目的四個(gè)激光雷達(dá)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(xiàng)目的激光雷達(dá)的照片和技術(shù)圖紙。一些重要的部件可以從圖中看出來(lái)，比如望遠(yuǎn)鏡、激光機(jī)和PC機(jī)。溫度控制和穩(wěn)定(不同部分不同)是通過(guò)通風(fēng)和水冷卻系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

夫瑯和費(fèi)ILT的團(tuán)隊(duì)也在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)的放大級(jí)。下一個(gè)議程是一個(gè)旨在探測(cè)紫外線波長(zhǎng)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(jì)劃包括為激光器開(kāi)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(zhǎng)期穩(wěn)定性。

基礎(chǔ)技術(shù)也將實(shí)際大氣研究提升到一個(gè)新的水平。兩套基于現(xiàn)有設(shè)計(jì)的新型紫外激光雷達(dá)系統(tǒng)將在歐洲各地進(jìn)行大氣測(cè)量活動(dòng)。它們加起來(lái)將占地約1萬(wàn)平方公里，海拔從5公里到約100公里不等。該計(jì)劃是將他們的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入歐洲的數(shù)據(jù)庫(kù)。

來(lái)自夫瑯和費(fèi)ILT和萊布尼茨IAP的不斷壯大的團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)合作。未來(lái)，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(zhǎng)時(shí)間測(cè)量天空中大面積的氣候數(shù)據(jù)。

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

在2023元旦來(lái)臨之際，中國(guó)第39次南極考察隊(duì)給中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所全體職工發(fā)來(lái)賀電，感謝中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所對(duì)極地事業(yè)的長(zhǎng)期關(guān)心和大力支持。