用于气候研究的新型激光器

天气报告、气候模型或火箭发射，都需要来自大气层的精确数据。为了获得这些数据，科学家们可以使用激光雷达系统向天空发射激光束。反向散射光可用于计算高达100公里高度的风和温度数据。弗劳恩霍夫激光技术研究所和莱布尼茨大气物理研究所的联合团队，已经开发出了一个可自主工作的便携式激光雷达系统。在未来，这样的系统可以实现大规模生产，并组合成网络，提供高质量的气候数据。

向上的视角

十月的夜晚，在波罗的海的海滩上，周围的海水清澈见底，Josef Höffner抬头仰望天空。在其他人只看到天空和云层的地方，他看到了在他上方打开的巨大地图。他说：“目前我们对高层大气的了解不多，地图上仍然有很多空白点。”作为一名大气物理学家，探索这些点是他的工作。

图 1：Josef Höffner 在波罗的海的莱布尼茨大气物理研究所研究不同的大气层

为此，他已经走过了很多地方。他曾乘坐Polarstern号船绕过半个地球进行测量活动，甚至还去过南极洲，去过挪威北部的斯匹次卑尔根岛和安多亚。对于大气研究来说，极地地区是最令人兴奋的，因为在那里你可以看到最多的地方。当Josef Höffner没有外出时，他在莱布尼兹大气物理研究所进行研究。研究大楼坐落在一个小山丘上，从平缓的山顶俯瞰波罗的海。

“到了晚上，激光束在研究所的上空闪耀。有时，当地报纸与我们联系，因为人们怀疑是UFO，”Höffner说，“然而这些只是我们的激光雷达系统。”研究所的研究人员从上世纪90年代中期就开始使用他们的激光雷达和雷达系统观测高层大气，现在有几个小组。

它是否会随着高度的增加而变冷？

激光雷达系统将光束穿过大气层发送到100公里以上的高度。激光束基本上可以穿过三个层次（图片2）：对流层（最高约15公里高度），平流层（最高约50公里）和中间层（最高约90公里）。这些层的高度主要取决于太阳辐射。然而，高度也随着季节或地理位置的变化而变化。

图 2：大气分层和温度剖面示意图

各层之间的界限是由一个有趣的现象定义的：经验告诉我们，温度随着海拔的升高而降低。然而在各层之间，这一点却是相反的。在平流层中，温度随着高度的增加而增加。在平流层和中间层之间，温度梯度再次逆转，它变得更冷。

Josef Höffner对最上层即中间层特别感兴趣。其上端的气压大约是人类所习惯的百万分之一。然而，在这个高度上仍然有大量的颗粒。那是航天飞机的机头在重返大气层时开始发光的高度。对流星来说也是如此，许多流星在中间层燃烧，留下的金属原子对大气物理学家的工作有很大帮助。

Höffner解释说：“通过激光雷达激光器，可以激发大气中的某些原子如钾或铁。粒子将光反射回来，尽管略有改变。物理学家称之为散射效应。反向散射光被地球上激光雷达系统中的望远镜捕获。从光谱中，可以得出温度和风速等变量。高度由激光脉冲的过境时间得出，高度的粒子浓度由特殊光子的数量得出。”

图 3：经过优化的翠绿宝石激光器，可以在激光雷达系统中运行数千小时而无需维护

在头顶的“海洋”发生什么？

这大致解释了大气物理学的工具，但在那里有什么可以测量的？“很多，”Höffner简洁地回答，“我们正在发现越来越多。为了更好地理解高层大气，这时候可以把大气想象成海洋。就像海洋一样，有波浪、水流和潮汐。每一个波浪都会推动另一个波浪，导致洋流，因为一切都在日夜运动。层之间的边界上升和下降，层之间还可以相互影响。这就是为什么激光雷达测量对气候模型和天气报告非常有价值的原因。”

图 4：2022 年 11 月，联合研究团队在 4 个激光雷达系统中的另一个系统中安装了一个新的激光器

然而，与海洋不同的是，天空中的潮汐是由太阳引起的。太阳加热地球一侧的空气，空气上升，而另一侧冷却并下沉。洋流和波浪是以同样的方式存在的，所谓的重力波对于高层大气和下层大气之间的交换尤为重要。例如当风暴袭击山脉时，就会发生这种情况。在那里，空气向上推动，动量继续远离对流层，进入中间层。来自下方的动量推动可以测量数千公里的洋流。

利用激光雷达和雷达系统，地面团队可以精确测量大气中的运动。气球不会飞得那么高，卫星在头顶飞行时只能提供快照。固定式激光雷达系统，可以无限期地测量沿着激光束向上的电流。20世纪90年代，Josef Höffner带着研究所为此目的开发的激光雷达系统环游世界。

新一代激光器是游戏改变者

起初的系统占用了一整个海运集装箱，重达10吨，需要30千瓦的电力来运行。系统运行时，现场就需要数吨的柴油用于发电。毕竟，它是当时世界上唯一的半移动激光雷达系统，它获得了科学上的好处。然而它太大、太重了，而且需要太多的日常维护，无法在将来有更大的用途。

这就是为什么Josef Höffner在2000年代中期为激光开发寻找新的合作伙伴。他在德国的另一端，位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所找到了答案。在那里，他们熟悉不同类型的激光器，也熟悉使其变小的最新技术。

ILT项目经理Michael Strotkamp表示，该项目的核心是用激光二极管取代激光的能源闪光灯，这一转换就像用电动机取代涡轮增压汽油发动机一样简单。因此，从第一次讨论到使用新型二极管泵浦的紫翠宝石激光器首次成功测量中间层，就花了10年时间。

最先进的激光技术

紫翠宝石是一种非常特殊的激光晶体：它可以在730到800纳米的宽光谱上调谐。与钛蓝宝石（一种众所周知的激光晶体）不同，它也可以在这个过程中储存丰富的能量。由于这些特性，它特别适用于高脉冲能量。

然而，它必须在极窄的带宽下进行激光雷达测量。这意味着在晶体中只能泵浦一个空间窄模式。否则，更高的模式会发生振荡，激光器的光谱会变得更宽。这是使用闪光灯时的主要问题之一——闪光灯通常会激发多种模式。Michael Strotkamp总结道：“我从未有过如此具有挑战性的激光晶体。有了二极管，我们可以直接泵浦模式体积，这解决了许多问题。”

紫翠宝石吸收低至红光范围的光，这就是为什么在638nm的波长下使用泵浦二极管的原因。一开始，这些二极管是条形的，脉冲峰值功率为80W，其光束轮廓必须为第一个原型精心均匀化。与此同时，亚琛的研究人员正在使用光纤耦合的泵浦二极管，这大大简化了泵浦辐射的整形。

图 5：翠绿宝石激光器被强烈折叠，并用光纤耦合源泵浦（右）。在左边，一面透镜“回收”了剩余的泵浦辐射

激光器（图5）被设计为环形谐振器，即没有驻波，而是循环激光波。这是用频率稳定的连续波激光器（种子）激发的。为此，谐振器反射镜被制成与压电元件一起振荡。每当谐振器长度恰好对应于种子激光器波长的倍数时，它就耦合到谐振器中。这种原理也被称为“斜率发射”。激光器通过Q开关触发，当其能量足够高时，Q开关会释放循环脉冲。

紫翠宝石激光器的第一个原型提供了0.15W的功率，当时有两个晶体，但泵浦辐射没有均匀化。利用均匀的泵浦辐射，激光可以从单一晶体中传输更多的功率。从那时起，该系统在多次迭代中得到了显著改进。为了节省空间，光束路径（2m谐振器长度）被折叠了几次。同时，泵浦辐射仅通过光纤传输，从而可以毫不费力地改变泵浦源。最新的泵浦源提供400W的泵浦脉冲，然后激光器以2.3W的输出功率或4.6mJ的脉冲在500Hz下工作。在750Hz的重复频率下，它甚至可以用2.7W和3.6mJ的脉冲运行。

“星尘”的秘密

当陨石在中间层燃烧时，单个原子会被留下并在那里漂浮多年。对于激光雷达测量，大气层中的各种原子或气溶胶被地面激光照射，并散射回单个光子。莱布尼茨研究所的亚历山大激光雷达测量使用三种主要效应：瑞利、米氏和共振散射。

瑞利散射是天空为什么是蓝色的原因。它描述了光是如何被小于其波长的粒子散射的。散射强烈依赖频率，这就是为什么蓝光比红光散射更多的原因。这就是为什么日落是红色的，天空是蓝色的原因。在大约60公里的高空，氧和氮原子的密度变得如此之小，以至于瑞利散射很难测量。

米氏散射描述了当光被尺寸与波长相似的粒子散射时对光的影响。在大气中，这些通常是气溶胶，例如灰尘或火山灰。这样的粒子出现在大约30公里的高度。根据粒子的飞行速度，瑞利和米氏光谱会因多普勒效应而偏移。通过将这种后向散射光谱与激光雷达光源的光进行比较，科学家可以计算粒子的速度。

更准确地说，光谱偏移提供了激光束方向上风速的矢量分量。这就是为什么新的激光雷达系统使用五个方向的光束进行测量。实际高度来自于激光束的移动时间；它们到达90公里的高度只需要0.3毫秒。为了确保每个脉冲在下一个脉冲之前都能被完全评估，该系统以高达1000赫兹的激光重复率工作。

如何在90公里的高空测量单个原子的温度？

然而对激光工程师来说，最大的挑战是共振散射。这是唯一的散射效应，在90公里以上的高度仍可用于测量风和温度。对于温度，反向散射光被用来测量光谱变宽的程度。为此，“星尘”的单个原子以其特征波长被激发。一个电子上升到一个级别，然后回落。在此过程中，它再次发射出相同波长的光子。然而，原子根据它们的温度来回摆动，这又导致了发射的光子的微小多普勒位移。许多这样的光子到达地球，它们的不同偏移导致与原始激光辐射相比，光谱出现了非常小的拓宽。

Josef Höffner在描述这一过程时说：“我们通过与地面上的气体电池进行比较来测量这种增宽。例如，钾原子在只有拇指大小的激光雷达系统中的真空池中蒸发。种子激光器被调谐到其光谱，线宽约为100kHz；在翠绿宝石激光器中放大之后仍然是3MHz。这种精确的调谐在量子计算机中更为常见。

“当我们测量铁原子时，我们不使用气室。我们将激光调谐到大气中原子的共振信号。将激光超精确地调谐到90公里外单个原子的信号，即使对于经验丰富的激光物理学家来说，这也是一个极端的挑战。然而，联合研究团队已经克服了这一困难。用于评估数据的复杂过滤系统非常好，即使在白天也可以过滤掉噪音中的少数光子。

激光雷达系统的下一步是什么？

2022年5月和11月，最新一代激光器安装在研究所的两个激光雷达系统中，高达100公里的大气测量已经得到验证。该项目的重点是在垂直和水平方向上探索大气层。这是通过一个激光指向四个倾斜30°的望远镜来实现的。网络中有4个这样的激光雷达系统，就可以测量天空中10000平方公里的区域。这是迄今为止全球最现代化、功能最强的中层大气激光雷达系统。

Josef Höffner解释道：对于如何进一步开发这项技术，我们有几个想法。例如，我们希望与周边地区的合作伙伴一起将激光雷达系统转移到工业中。该项目共有十个合作伙伴，将于今年6月启动，作为俄罗斯联邦银行资助计划的一部分。

激光开发人员已经将目光投向了紫外线。换句话说，研究人员计划安装一种晶体，将激光谐振器中的激光辐射转换为386nm的波长。这使用了一条具有低太阳背景的夫琅和费谱线，可以测量铁原子。到目前为止，只有在效率低得多的外部倍频的情况下，才有可能实现。

此外，2023年将建立两个新的激光雷达系统，这将确保五个国家的七个合作伙伴能够在目前没有数据可用的10公里以上地区以以前无法达到的质量收集气候数据。Höffner解释道：“我们的目标是将激光雷达数据实时集成到欧洲数据库中。”

下一步将是建立一个欧洲测量网络。然后，这些数据将用于天气预报和气候模型，因为这样的激光雷达系统可以实时测量10公里至50公里以上高度的风和温度分布，昼夜不停。该系统还为火箭发射提供相关数据。从长远来看，基于卫星的激光雷达版本也是可以想象的。

这项工作的重要性通过对中间大气中气候变化的研究得到了证明。Höffner解释道：“我们看到了中间层的重大变化。有了新系统，我们希望在大范围内持续观察变化。这将对长期气候预测产生重大影响。对他来说，天空仍然是一个令人兴奋的研究领域。”

作者：Michael Strotkamp、Alexander Munk（弗劳恩霍夫激光技术研究所）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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