基于二极管泵浦的变石激光器，助力激光雷达监测高层大气
2019-12-13 07:54:52 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
对于气候研究人员来说，研究更高的大气层（指高度为30~120公里）是一项非常有趣的工作。但对高度超过40公里的高空进行研究，通常只能通过探空火箭进行。基于二极管泵浦的变石激光器（Alexandrite laser）开发的激光雷达（LiDAR）系统，将很快实现高层大气研究。
据麦姆斯咨询报道，对于气候研究人员来说，研究更高的大气层（指高度为30~120公里）是一项非常有趣的工作。但对高度超过40公里的高空进行研究，通常只能通过探空火箭进行。基于二极管泵浦的变石激光器（Alexandrite laser）开发的激光雷达（LiDAR）系统，将很快实现高层大气研究。
莱布尼茨大气物理研究所（IAP）和弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）的科学家们正在开发一种可独立工作的便携式系统。该团队称，将来这种激光雷达网络将能够连续不断地从大气层传输大量数据。
自二十世纪九十年代以来，位于德国屈隆斯博恩镇的莱布尼茨大气物理研究所一直在利用自研的激光雷达系统对大气层的中间层进行研究。这套系统配备有闪光灯泵浦的变石激光器，体积庞大到足以占据整个船舶集装箱。同时，因为它能耗很高，对准方式复杂，使用也受到限制。
变石激光器
由德国航空航天中心（DLR）资助的长期双边合作项目和ALISE项目中，莱布尼茨大气物理研究所和弗劳恩霍夫激光技术研究所的科学家共同开发了一种新激光雷达系统。该系统的外形尺寸与洗衣机相当，几乎无需维护。除了体积更小之外，能耗也降低了100倍（低于500 W）。
采用二极管泵浦变石激光器，激光雷达的尺寸缩小了100倍
新系统的关键部件是弗劳恩霍夫激光技术研究所研发的二极管泵浦变石激光器。该系统以500 Hz的频率重复提供高达1.7 mJ的脉冲，从而实现较高的空间分辨率和时间分辨率。凭借其脉冲间的高稳定性（0.2%）和高光束质量（M2>1.1），使得在目标高度的大气层进行精确测量成为可能。对于激光雷达应用而言，另一个非常重要的特征是谱线宽度小于4 MHz，激光器以单频脉冲完成。
空中客车公司的专家评估了该项目所用激光器在太空应用中的适用性。整个系统已在实验室级别成功完成测试，并按技术就绪级别（TRL）评估获得4级。该激光器的组件与弗劳恩霍夫激光技术研究所开发的太空激光应用的FULAS平台相兼容，甚至符合TRL的6级，相当于“在实际操作条件下进行验证”。
从3D打印到激光雷达网络
前两代新型变石激光器是实验室配置，但已经从大气中获得了测量结果。第三代产品更加紧凑，可集成到现场测量的运输系统中。
除激光器外，一项正在申请专利的新技术还可以将光学组件固定在适当的位置：光学器件被固定在特殊的塑料支架中。完整模组的一部分利用3D打印机制造，经济有效。仪器支架也可以通过3D打印来生产。
激光雷达网络首次监测高层大气
研究人员于2019年10月构建了首套紧凑型激光雷达系统。到2020年底，还将完成三套。开发人员打算为VAHCOLI（Vertical And Horizontal COverage by LIdar）项目建立激光雷达系统网络。激光雷达网络将首次以高时间分辨率从三个维度测量大气层中层的风场和温度场。
中期目标：全球气候测量
为了继续用变石激光器开发激光雷达系统，莱布尼茨大气物理研究所的新大厅于2019年9月落成。在那里，不仅能完成更多的VAHCOLI系统，还可以进一步开发弗劳恩霍夫激光技术研究所的光束源，如更广的波长范围以进行紫外线测量。
在莱布尼茨大气物理研究所开发的基于铁原子（386 nm）的温度测量方法，首次用于精确确定南极的夏季极地温度。由于可以在更宽的范围内（约720~810 nm）调整激光波长，将来可以实现许多其它重要测量所需的波长。
当前，紧凑型激光雷达系统使用770 nm的钾离子线在大气中进行测量。并计划使用这些系统在极地地区以及其它地方开展测量活动。借助高度稳定的新激光技术，还有大量测量应用值得期待，例如，用在飞机上进行大气中火山灰的分布测量，或者中期来看，可用于卫星系统收集全球气候数据。
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