一种新型翠绿宝石激光器推动更可持续的大气科学研究

基于二极管泵浦翠绿宝石激光器的新一代激光雷达系统正在推动大气科学的发展，可以为海拔高达100公里的地区提供全天候的风和温度数据。

德国莱布尼茨大气物理研究所(IAP)的科学家Josef Höffner说:“它几乎有激光工程师能想象到的所有问题。”

虽然使用翠绿宝石作为激光晶体存在固有的挑战，但翠绿宝石激光器是用于突破性大气研究的激光雷达系统的一个有前景的工具。

翠绿宝石在红色和近红外区域提供了宽的发射波段，并且长时间的存储以致高脉冲能量，尽管介质固有的挑战，这使得翠绿宝石成为在上层大气中定位金属原子(如钾)的首选激光源。这些特性也有助于Höffner解释为什么在大气科学中使用翠绿宝石激光器超过30年。

在20世纪90年代，他为大气激光雷达测量建立了第一个闪光灯泵浦翠绿宝石系统。他推动它提供窄带宽和合理的高脉冲功率。作为同类系统中唯一的可移动系统，Höffner的早期翠绿宝石激光系统从北极到南极旅行了世界。

Leibniz IAP的早期翠绿宝石激光雷达系统(摄于南极洲的戴维斯站)作为第一个能够在海拔约100公里处捕捉大气测量的可移动激光雷达系统周游世界。在这种情况下，“可移动”意味着它装满了一个标准化的集装箱，需要30千瓦的电力才能运行。由Josef Höffner/Leibniz IAP提供。

激光谐振器，包括所有的电子设备和望远镜，勉强能装进一个标准的集装箱，总重量为10吨。该系统需要30千瓦的功率来运行，需要一个训练有素的操作员来进行激光操作。

“这是一个伟大的系统，但它的运行是不可持续的，”Höffner说。因此，在21世纪初，他寻找合作伙伴来帮助他更新激光技术，以消耗更少的能量，使更紧凑和可运输的大气激光雷达系统能够在恶劣的环境中提供可靠的24/7运行。他在德国亚琛的夫琅和费激光技术研究所(ILT)找到了合作者。

翠绿宝石基激光雷达系统的完整谐振腔长度为2米(上)。由于光束路径的广泛折叠，系统可以安装在一个小面包板上(底部)。由Fraunhofer ILT提供。

又花了10年的合作研究，将这项技术发展到满足所有要求的程度，使莱布尼茨IAP和夫琅和费ILT的团队能够进一步探测大气层。

探索高地

大气激光雷达系统的参数是根据系统所要分析的大气物理来确定的。首先是风，激光雷达通过多普勒频移测量由移动的大气粒子引起的后向散射光的变化。接下来，激光雷达通过多普勒展宽测量温度。

这两种测量都依赖于光散射效应，比如由空气分子引起的光的瑞利散射，这种效应使天空看起来是蓝色的。用瑞利散射法测量高度可达60公里。米散射是由大气中的灰尘或火山灰等气溶胶引起的，通过米散射进行测量，在海拔约30公里的地方效果很好。

基于二极管泵浦翠绿宝石激光器的激光雷达系统。该系统发出一个垂直光束和四个倾斜光束，以捕捉100公里及以上高度的水平和垂直风成分。由Fraunhofer ILT/Ralf Baumgarten提供。

对于60公里以上的高度，通过共振散射进行测量是可行的。基于这种效应的大气激光雷达测量依赖于陨石或太空垃圾在进入大气层时燃烧成灰尘时留下的金属原子的散射。正是在这个区域，航天飞机的机头在重返大气层时开始发光(在大约120公里处)，在大约80到100公里处可以看到陨石。

但是，由于碎片中的金属原子很少分散在这样的高度，地面激光雷达系统必须具有在这样的高度测量每立方厘米一个原子的功率和灵敏度。虽然金属原子浓度较低，但共振散射的散射截面比其他散射效应的散射截面大几个数量级。因此，激光雷达专家喜欢使用这种星尘来进行测量。值得注意的是，现代天文学家所依赖的导航星通常是离地球表面90公里的单个金属(钠)原子。

大气激光雷达的激光设计

Fraunhofer ILT的团队首先设计了一个用于单横向和纵向模式操作的二极管泵浦装置。单横向模式(或TEM00)激光泵浦仅在激光晶体的核心，这是很难实现使用横向(即闪光灯)泵浦配置。因此，该团队将二极管激光器聚焦成一个聚焦直径为0.8毫米的双锥。

翠绿宝石的吸收带中心在600 nm左右。为了最大限度地减少由量子缺陷引起的热产生，研究小组在这个吸收带的上端选择了一个泵浦波长，在638 nm。

由夫琅和费ILT生产的第一个满足所有光谱要求的翠绿宝石激光器在770 nm处输出0.15 W。改进的泵浦光束整形(偏振耦合和对称)使输出功率达到0.8 W。经过几次迭代，峰值功率为400 W的光纤耦合泵浦源在500 hz重复频率下实现了输出高达2.3 W或4.6 mJ的系统。在750hz时，激光的输出甚至达到2.7 W，或3.6 mJ。