中國科學技術大學教授竇賢康課題組夏海云與中國科學院院士潘建偉課題組張強經過三年的合作,在國際上首次研制了單光子頻率上轉換量子測風激光雷達,實現了大氣邊界層氣溶膠和風場的晝夜連續觀測,在國際光學期刊《光學學報》(Optics Letters)和《光學快報》(Optics Express)上發表了一系列成果。
精確的大氣風場探測對數值天氣預報、氣候模型改進、軍事環境預報、生化氣體監控、機場風切變預警等具有重大意義。多普勒測風激光雷達被公認為全球大氣風場遙感的最佳方法,也是世界氣象組織列出的最具挑戰性的激光雷達之一。研究人員通過探測大氣氣溶膠和風場,不僅能監測大氣污染狀態、實時發現大氣污染源,還能對霧霾的形成和演化進行預報。
激光雷達應用的首要前提是人眼安全。2007年,美國國家大氣研究中心報道了工作波長1.55微米的人眼安全的氣溶膠激光雷達。該近紅外波長的單個光子的能量僅為1.28×10-19焦耳,而量子測風激光雷達需要探測單個光子6.67×10-10的相對多普勒頻移,才能實現0.1米/秒精度的徑向風速測量。傳統觀點認為,只能提高激光雷達的出射功率和增大望遠鏡的面積,才能提高激光雷達探測信噪比。由于上述激光雷達量子效率低、噪聲高,其發射激光脈沖能量達0.125焦耳,望遠鏡直徑0.4米,導致結構復雜、重達數噸、功耗大。由于光學破壞閾值限制和大口徑望遠鏡加工工藝限制,傳統激光雷達的性能已經達到頂峰。
2015年4月,中國科大首次實現了單光子頻率上轉換的氣溶膠激光雷達[Optics Letters, 40, 1579 (2015)]。利用自主研制的周期極化鈮酸鋰波導,將雷達接收的1.55微米單光子與2微米的連續泵浦光發生和頻,用硅探測器對產生的0.863微米的光子進行探測。此時,量子效率可達55%,暗噪聲僅16個/秒。與目前采用的銦鎵砷探測器直接探測1.55微米光子相比(量子效率10%,暗噪聲5000個/秒),提高了探測效率,降低了系統噪聲。該方法立刻引起德國宇航局、丹麥科技大學、白俄羅斯國立大學等同行的關注,于2016年3月采用相同技術實現大氣二氧化碳的探測。
2016年8月,中國科大采用全光纖保偏鑒頻器對單光子的頻移進行了測量,利用微弱光源(激光脈沖能量5×10-5焦耳)、小口徑望遠鏡(直徑0.08米)在國際上首次實現了大氣邊界層風場的探測[Optics Express, 24, 19322 (2016)]。2016年11月,利用時分復用技術,中國科大報道了當前集成度最高的量子測風激光雷達,不僅簡化了系統結構,還提高了系統穩定性和可靠性,并免于周期性校準[Optics Letters, 41, 5218 (2016)]。
通過提高量子效率(光電轉化效率)和光學集成度(系統光學效率),綜合抑制探測噪聲,實現了晝夜連續觀測的、輕小防振、低功耗、常溫環境下運行的全光纖保偏結構的激光雷達系統,適合在機載、艦載、星載等平臺的惡劣環境下運行。該技術為小型星載激光雷達提供了新思路,為普及高性價比、高穩定性、超小型化的激光雷達奠定了基礎。
模塊化設計的量子測風激光雷達
48小時連續探測結果:a)風速時空分布;b) 風向分布;c) 大氣水平能見度及溫度和相對濕度[Optics Letters, 41, 5218, 2016]
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