一種二極管泵浦翠綠寶石激光源用于激光雷達(dá)和空間應(yīng)用

基于翠綠寶石激光器的激光雷達(dá)系統(tǒng)將成為歐洲大氣氣候監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)陣列（EULIAA）項(xiàng)目的重要組成部分。

可自主移動(dòng)的激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)向夜空發(fā)出五束光，通過(guò)四個(gè)小型望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)大型望遠(yuǎn)鏡，可探測(cè)到100公里高空的光子，并提供實(shí)時(shí)氣候數(shù)據(jù)。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，由弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）和萊布尼茨大氣物理研究所（IAP）聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的激光雷達(dá)系統(tǒng)已被用于計(jì)算高達(dá)100公里高空的風(fēng)速和溫度數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了其激光系統(tǒng)的有效性。

在德國(guó)庫(kù)隆斯博恩（Kühlungsborn）安裝的系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果，也印證了該激光雷達(dá)系統(tǒng)向歐洲大氣氣候監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)陣列（EULIAA）項(xiàng)目邁出了重要一步，將有助于增強(qiáng)氣候模型和改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)。

一段時(shí)間以來(lái)，ILT一直致力于研究如何使用于氣候監(jiān)測(cè)的激光雷達(dá)系統(tǒng)更小巧、更易于運(yùn)輸，其研究重點(diǎn)是使用翠綠寶石晶體作為激光器介質(zhì)。ILT和IAP曾合作開(kāi)發(fā)了一種二極管泵浦翠綠寶石激光源，用于激光雷達(dá)和空間應(yīng)用，并于2019年正式推出。

該系統(tǒng)能在500 Hz的重復(fù)頻率下提供高達(dá)1.7 mJ的脈沖，提供脈沖單頻操作中激發(fā)大氣中鉀或鐵原子所需的時(shí)空分辨率。該激光器現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化，特別是確保晶體中僅泵浦一種空間窄模式，并保持激光雷達(dá)探測(cè)所需的窄帶寬。

“我們開(kāi)發(fā)的首個(gè)翠綠寶石激光器原型的輸出功率為0.15 W，當(dāng)時(shí)有兩個(gè)晶體，但不具有泵浦激光輻射的均勻性。”ILT項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，“從那時(shí)起，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次迭代后得到了顯著改進(jìn)。2米長(zhǎng)的光束路徑在空間內(nèi)被折疊了多次，并且泵浦輻射僅通過(guò)光纖傳遞，因此可以輕松地更換泵浦源。”

自主長(zhǎng)期運(yùn)行的激光雷達(dá)系統(tǒng)

2022年5月和11月，最新一代翠綠寶石激光器被安裝在德國(guó)庫(kù)隆斯博恩的兩個(gè)地面激光雷達(dá)系統(tǒng)中，并成功完成了100公里高空氣候的探測(cè)任務(wù)。這項(xiàng)工作表明，通過(guò)將一束激光分別對(duì)準(zhǔn)四臺(tái)傾斜30度的望遠(yuǎn)鏡，可以實(shí)現(xiàn)在垂直和水平方向上探測(cè)大氣層。

ILT認(rèn)為，利用這種方式使用多個(gè)激光雷達(dá)光束可以探測(cè)到數(shù)萬(wàn)平方公里的大氣層。ILT計(jì)劃進(jìn)一步發(fā)展激光技術(shù)，為翠綠寶石激光器開(kāi)發(fā)獨(dú)立于激光雷達(dá)應(yīng)用的放大級(jí)。

ILT另一項(xiàng)研究將與新啟動(dòng)的歐洲大氣氣候監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)陣列（EULIAA）項(xiàng)目合作，EULIAA項(xiàng)目由歐盟資助，于2023年1月啟動(dòng)，計(jì)劃持續(xù)四年。

EULIAA項(xiàng)目的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種激光雷達(dá)陣列，用于長(zhǎng)時(shí)間、大觀測(cè)區(qū)域內(nèi)探測(cè)5~50公里高空的風(fēng)速和溫度。這種激光雷達(dá)陣列不僅要價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、高效、易于運(yùn)輸，且要具有自主性。

研究人員還計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化激光雷達(dá)光源，使用腔內(nèi)倍頻將輸出轉(zhuǎn)換為386 nm，使其在紫外線(xiàn)（UV）波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作。據(jù)該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，這在以往只能通過(guò)效率較低的腔外倍頻來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前使用新光源的初步測(cè)試結(jié)果，證明了該計(jì)劃有望實(shí)現(xiàn)。

“我們可以看到大氣中間層發(fā)生的重大變化?！盜AP的Josef H?ffner稱(chēng)，“有了新的激光雷達(dá)系統(tǒng)，我們希望在更大的范圍內(nèi)持續(xù)觀測(cè)大氣變化。這將對(duì)長(zhǎng)期氣候預(yù)測(cè)產(chǎn)生重大影響。”

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審核編輯：劉清