中国科学技术大学教授窦贤康课题组夏海云与中国科学院院士潘建伟课题组张强经过三年的合作,在国际上首次研制了单光子频率上转换量子测风激光雷达,实现了大气边界层气溶胶和风场的昼夜连续观测,在国际光学期刊《光学学报》(Optics Letters)和《光学快报》(Optics Express)上发表了一系列成果。
精确的大气风场探测对数值天气预报、气候模型改进、军事环境预报、生化气体监控、机场风切变预警等具有重大意义。多普勒测风激光雷达被公认为全球大气风场遥感的最佳方法,也是世界气象组织列出的最具挑战性的激光雷达之一。研究人员通过探测大气气溶胶和风场,不仅能监测大气污染状态、实时发现大气污染源,还能对雾霾的形成和演化进行预报。
激光雷达应用的首要前提是人眼安全。2007年,美国国家大气研究中心报道了工作波长1.55微米的人眼安全的气溶胶激光雷达。该近红外波长的单个光子的能量仅为1.28×10-19焦耳,而量子测风激光雷达需要探测单个光子6.67×10-10的相对多普勒频移,才能实现0.1米/秒精度的径向风速测量。传统观点认为,只能提高激光雷达的出射功率和增大望远镜的面积,才能提高激光雷达探测信噪比。由于上述激光雷达量子效率低、噪声高,其发射激光脉冲能量达0.125焦耳,望远镜直径0.4米,导致结构复杂、重达数吨、功耗大。由于光学破坏阈值限制和大口径望远镜加工工艺限制,传统激光雷达的性能已经达到顶峰。
2015年4月,中国科大首次实现了单光子频率上转换的气溶胶激光雷达[Optics Letters, 40, 1579 (2015)]。利用自主研制的周期极化铌酸锂波导,将雷达接收的1.55微米单光子与2微米的连续泵浦光发生和频,用硅探测器对产生的0.863微米的光子进行探测。此时,量子效率可达55%,暗噪声仅16个/秒。与目前采用的铟镓砷探测器直接探测1.55微米光子相比(量子效率10%,暗噪声5000个/秒),提高了探测效率,降低了系统噪声。该方法立刻引起德国宇航局、丹麦科技大学、白俄罗斯国立大学等同行的关注,于2016年3月采用相同技术实现大气二氧化碳的探测。
2016年8月,中国科大采用全光纤保偏鉴频器对单光子的频移进行了测量,利用微弱光源(激光脉冲能量5×10-5焦耳)、小口径望远镜(直径0.08米)在国际上首次实现了大气边界层风场的探测[Optics Express, 24, 19322 (2016)]。2016年11月,利用时分复用技术,中国科大报道了当前集成度最高的量子测风激光雷达,不仅简化了系统结构,还提高了系统稳定性和可靠性,并免于周期性校准[Optics Letters, 41, 5218 (2016)]。
通过提高量子效率(光电转化效率)和光学集成度(系统光学效率),综合抑制探测噪声,实现了昼夜连续观测的、轻小防振、低功耗、常温环境下运行的全光纤保偏结构的激光雷达系统,适合在机载、舰载、星载等平台的恶劣环境下运行。该技术为小型星载激光雷达提供了新思路,为普及高性价比、高稳定性、超小型化的激光雷达奠定了基础。
模块化设计的量子测风激光雷达
48小时连续探测结果:a)风速时空分布;b) 风向分布;c) 大气水平能见度及温度和相对湿度[Optics Letters, 41, 5218, 2016]
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