一種新型翠綠寶石激光器推動更可持續的大氣科學研究

基於(yu) 二極管泵浦翠綠寶石激光器的新一代激光雷達係統正在推動大氣科學的發展，可以為(wei) 海拔高達100公裏的地區提供全天候的風和溫度數據。

德國萊布尼茨大氣物理研究所(IAP)的科學家Josef Höffner說:“它幾乎有激光工程師能想象到的所有問題。”

雖然使用翠綠寶石作為(wei) 激光晶體(ti) 存在固有的挑戰，但翠綠寶石激光器是用於(yu) 突破性大氣研究的激光雷達係統的一個(ge) 有前景的工具。

翠綠寶石在紅色和近紅外區域提供了寬的發射波段，並且長時間的存儲(chu) 以致高脈衝(chong) 能量，盡管介質固有的挑戰，這使得翠綠寶石成為(wei) 在上層大氣中定位金屬原子(如鉀)的首選激光源。這些特性也有助於(yu) Höffner解釋為(wei) 什麽(me) 在大氣科學中使用翠綠寶石激光器超過30年。

在20世紀90年代，他為(wei) 大氣激光雷達測量建立了第一個(ge) 閃光燈泵浦翠綠寶石係統。他推動它提供窄帶寬和合理的高脈衝(chong) 功率。作為(wei) 同類係統中唯一的可移動係統，Höffner的早期翠綠寶石激光係統從(cong) 北極到南極旅行了世界。

Leibniz IAP的早期翠綠寶石激光雷達係統(攝於(yu) 南極洲的戴維斯站)作為(wei) 第一個(ge) 能夠在海拔約100公裏處捕捉大氣測量的可移動激光雷達係統周遊世界。在這種情況下，“可移動”意味著它裝滿了一個(ge) 標準化的集裝箱，需要30千瓦的電力才能運行。由Josef Höffner/Leibniz IAP提供。

激光諧振器，包括所有的電子設備和望遠鏡，勉強能裝進一個(ge) 標準的集裝箱，總重量為(wei) 10噸。該係統需要30千瓦的功率來運行，需要一個(ge) 訓練有素的操作員來進行激光操作。

“這是一個(ge) 偉(wei) 大的係統，但它的運行是不可持續的，”Höffner說。因此，在21世紀初，他尋找合作夥(huo) 伴來幫助他更新激光技術，以消耗更少的能量，使更緊湊和可運輸的大氣激光雷達係統能夠在惡劣的環境中提供可靠的24/7運行。他在德國亞(ya) 琛的夫琅和費激光技術研究所(ILT)找到了合作者。

翠綠寶石基激光雷達係統的完整諧振腔長度為(wei) 2米(上)。由於(yu) 光束路徑的廣泛折疊，係統可以安裝在一個(ge) 小麵包板上(底部)。由Fraunhofer ILT提供。

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

探索高地

大氣激光雷達係統的參數是根據係統所要分析的大氣物理來確定的。首先是風，激光雷達通過多普勒頻移測量由移動的大氣粒子引起的後向散射光的變化。接下來，激光雷達通過多普勒展寬測量溫度。

這兩(liang) 種測量都依賴於(yu) 光散射效應，比如由空氣分子引起的光的瑞利散射，這種效應使天空看起來是藍色的。用瑞利散射法測量高度可達60公裏。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公裏的地方效果很好。

基於(yu) 二極管泵浦翠綠寶石激光器的激光雷達係統。該係統發出一個(ge) 垂直光束和四個(ge) 傾(qing) 斜光束，以捕捉100公裏及以上高度的水平和垂直風成分。由Fraunhofer ILT/Ralf Baumgarten提供。

對於(yu) 60公裏以上的高度，通過共振散射進行測量是可行的。基於(yu) 這種效應的大氣激光雷達測量依賴於(yu) 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(ge) 區域，航天飛機的機頭在重返大氣層時開始發光(在大約120公裏處)，在大約80到100公裏處可以看到隕石。

但是，由於(yu) 碎片中的金屬原子很少分散在這樣的高度，地麵激光雷達係統必須具有在這樣的高度測量每立方厘米一個(ge) 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麵比其他散射效應的散射截麵大幾個(ge) 數量級。因此，激光雷達專(zhuan) 家喜歡使用這種星塵來進行測量。值得注意的是，現代天文學家所依賴的導航星通常是離地球表麵90公裏的單個(ge) 金屬(鈉)原子。

大氣激光雷達的激光設計

Fraunhofer ILT的團隊首先設計了一個(ge) 用於(yu) 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(jin) 在激光晶體(ti) 的核心，這是很難實現使用橫向(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(ge) 聚焦直徑為(wei) 0.8毫米的雙錐。

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

由夫琅和費ILT生產(chan) 的第一個(ge) 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。經過幾次迭代，峰值功率為(wei) 400 W的光纖耦合泵浦源在500 hz重複頻率下實現了輸出高達2.3 W或4.6 mJ的係統。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的團隊於(yu) 2022年11月會(hui) 麵，在VAHCOLI項目的四個(ge) 激光雷達係統之一安裝新一代翠綠寶石激光器。由Fraunhofer ILT/Ralf Baumgarten提供。

用於(yu) VAHCOLI項目的激光雷達的照片和技術圖紙。一些重要的部件可以從(cong) 圖中看出來，比如望遠鏡、激光機和PC機。溫度控製和穩定(不同部分不同)是通過通風和水冷卻係統來實現的。

夫琅和費ILT的團隊也在進一步開發該係統的放大級。下一個(ge) 議程是一個(ge) 旨在探測紫外線波長的係統，該係統可以瞄準80公裏以外大氣層中的鐵原子。這些計劃包括為(wei) 激光器開發腔內(nei) 二次諧波發生器，以提供更高的效率和更好的長期穩定性。

基礎技術也將實際大氣研究提升到一個(ge) 新的水平。兩(liang) 套基於(yu) 現有設計的新型紫外激光雷達係統將在歐洲各地進行大氣測量活動。它們(men) 加起來將占地約1萬(wan) 平方公裏，海拔從(cong) 5公裏到約100公裏不等。該計劃是將他們(men) 的數據實時輸入歐洲的數據庫。

來自夫琅和費ILT和萊布尼茨IAP的不斷壯大的團隊將繼續合作。未來，他們(men) 的係統將為(wei) 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麵積的氣候數據。

中國第39次南極考察隊給中國科學院大氣物理研究所發元旦賀電

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