一種二極管泵浦翠綠寶石激光源用于激光雷達和空間應(yīng)用

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

可自主移動的激光雷達（LiDAR）系統(tǒng)向夜空發(fā)出五束光，通過四個小型望遠鏡和一個大型望遠鏡，可探測到100公里高空的光子，并提供實時氣候數(shù)據(jù)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，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)合團隊開發(fā)出的激光雷達系統(tǒng)已被用于計算高達100公里高空的風速和溫度數(shù)據(jù)，驗證了其激光系統(tǒng)的有效性。

在德國庫隆斯博恩（Kühlungsborn）安裝的系統(tǒng)測量結(jié)果，也印證了該激光雷達系統(tǒng)向歐洲大氣氣候監(jiān)測激光雷達陣列（EULIAA）項目邁出了重要一步，將有助于增強氣候模型和改進天氣預(yù)報。

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

該系統(tǒng)能在500 Hz的重復頻率下提供高達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空分辨率。該激光器現(xiàn)在已經(jīng)進一步優(yōu)化，特別是確保晶體中僅泵浦一種空間窄模式，并保持激光雷達探測所需的窄帶寬。

“我們開發(fā)的首個翠綠寶石激光器原型的輸出功率為0.15 W，當時有兩個晶體，但不具有泵浦激光輻射的均勻性?！盜LT項目團隊稱，“從那時起，該系統(tǒng)經(jīng)過多次迭代后得到了顯著改進。2米長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光纖傳遞，因此可以輕松地更換泵浦源?！?/p>

自主長期運行的激光雷達系統(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庫隆斯博恩的兩個地面激光雷達系統(tǒng)中，并成功完成了100公里高空氣候的探測任務(wù)。這項工作表明，通過將一束激光分別對準四臺傾斜30度的望遠鏡，可以實現(xiàn)在垂直和水平方向上探測大氣層。

ILT認為，利用這種方式使用多個激光雷達光束可以探測到數(shù)萬平方公里的大氣層。ILT計劃進一步發(fā)展激光技術(shù)，為翠綠寶石激光器開發(fā)獨立于激光雷達應(yīng)用的放大級。

ILT另一項研究將與新啟動的歐洲大氣氣候監(jiān)測激光雷達陣列（EULIAA）項目合作，EULIAA項目由歐盟資助，于2023年1月啟動，計劃持續(xù)四年。

EULIAA項目的目標是開發(fā)一種激光雷達陣列，用于長時間、大觀測區(qū)域內(nèi)探測5~50公里高空的風速和溫度。這種激光雷達陣列不僅要價格低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、高效、易于運輸，且要具有自主性。

研究人員還計劃進一步優(yōu)化激光雷達光源，使用腔內(nèi)倍頻將輸出轉(zhuǎn)換為386 nm，使其在紫外線（UV）波長范圍內(nèi)工作。據(jù)該項目團隊稱，這在以往只能通過效率較低的腔外倍頻來實現(xiàn)，目前使用新光源的初步測試結(jié)果，證明了該計劃有望實現(xiàn)。

“我們可以看到大氣中間層發(fā)生的重大變化。”IAP的Josef H?ffner稱，“有了新的激光雷達系統(tǒng)，我們希望在更大的范圍內(nèi)持續(xù)觀測大氣變化。這將對長期氣候預(yù)測產(chǎn)生重大影響?！?/p>

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審核編輯：劉清