一种二极管泵浦翠绿宝石激光源用于激光雷达和空间应用

基于翠绿宝石激光器的激光雷达系统将成为欧洲大气气候监测激光雷达阵列（EULIAA）项目的重要组成部分。

可自主移动的激光雷达（LiDAR）系统向夜空发出五束光，通过四个小型望远镜和一个大型望远镜，可探测到100公里高空的光子，并提供实时气候数据。

据麦姆斯咨询报道，近日，由弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）和莱布尼茨大气物理研究所（IAP）联合团队开发出的激光雷达系统已被用于计算高达100公里高空的风速和温度数据，验证了其激光系统的有效性。

在德国库隆斯博恩（Kühlungsborn）安装的系统测量结果，也印证了该激光雷达系统向欧洲大气气候监测激光雷达阵列（EULIAA）项目迈出了重要一步，将有助于增强气候模型和改进天气预报。

一段时间以来，ILT一直致力于研究如何使用于气候监测的激光雷达系统更小巧、更易于运输，其研究重点是使用翠绿宝石晶体作为激光器介质。ILT和IAP曾合作开发了一种二极管泵浦翠绿宝石激光源，用于激光雷达和空间应用，并于2019年正式推出。

该系统能在500 Hz的重复频率下提供高达1.7 mJ的脉冲，提供脉冲单频操作中激发大气中钾或铁原子所需的时空分辨率。该激光器现在已经进一步优化，特别是确保晶体中仅泵浦一种空间窄模式，并保持激光雷达探测所需的窄带宽。

“我们开发的首个翠绿宝石激光器原型的输出功率为0.15 W，当时有两个晶体，但不具有泵浦激光辐射的均匀性。”ILT项目团队称，“从那时起，该系统经过多次迭代后得到了显著改进。2米长的光束路径在空间内被折叠了多次，并且泵浦辐射仅通过光纤传递，因此可以轻松地更换泵浦源。”

自主长期运行的激光雷达系统

2022年5月和11月，最新一代翠绿宝石激光器被安装在德国库隆斯博恩的两个地面激光雷达系统中，并成功完成了100公里高空气候的探测任务。这项工作表明，通过将一束激光分别对准四台倾斜30度的望远镜，可以实现在垂直和水平方向上探测大气层。

ILT认为，利用这种方式使用多个激光雷达光束可以探测到数万平方公里的大气层。ILT计划进一步发展激光技术，为翠绿宝石激光器开发独立于激光雷达应用的放大级。

ILT另一项研究将与新启动的欧洲大气气候监测激光雷达阵列（EULIAA）项目合作，EULIAA项目由欧盟资助，于2023年1月启动，计划持续四年。

EULIAA项目的目标是开发一种激光雷达阵列，用于长时间、大观测区域内探测5~50公里高空的风速和温度。这种激光雷达阵列不仅要价格低廉、结构紧凑、高效、易于运输，且要具有自主性。

研究人员还计划进一步优化激光雷达光源，使用腔内倍频将输出转换为386 nm，使其在紫外线（UV）波长范围内工作。据该项目团队称，这在以往只能通过效率较低的腔外倍频来实现，目前使用新光源的初步测试结果，证明了该计划有望实现。

“我们可以看到大气中间层发生的重大变化。”IAP的Josef Höffner称，“有了新的激光雷达系统，我们希望在更大的范围内持续观测大气变化。这将对长期气候预测产生重大影响。”

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审核编辑：刘清