中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授竇賢康課題組夏海云與中國科學(xué)院院士潘建偉課題組張強(qiáng)經(jīng)過三年的合作,在國際上首次研制了單光子頻率上轉(zhuǎn)換量子測風(fēng)激光雷達(dá),實(shí)現(xiàn)了大氣邊界層氣溶膠和風(fēng)場的晝夜連續(xù)觀測,在國際光學(xué)期刊《光學(xué)學(xué)報(bào)》(Optics Letters)和《光學(xué)快報(bào)》(Optics Express)上發(fā)表了一系列成果。
精確的大氣風(fēng)場探測對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候模型改進(jìn)、軍事環(huán)境預(yù)報(bào)、生化氣體監(jiān)控、機(jī)場風(fēng)切變預(yù)警等具有重大意義。多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)被公認(rèn)為全球大氣風(fēng)場遙感的最佳方法,也是世界氣象組織列出的最具挑戰(zhàn)性的激光雷達(dá)之一。研究人員通過探測大氣氣溶膠和風(fēng)場,不僅能監(jiān)測大氣污染狀態(tài)、實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)大氣污染源,還能對霧霾的形成和演化進(jìn)行預(yù)報(bào)。
激光雷達(dá)應(yīng)用的首要前提是人眼安全。2007年,美國國家大氣研究中心報(bào)道了工作波長1.55微米的人眼安全的氣溶膠激光雷達(dá)。該近紅外波長的單個(gè)光子的能量僅為1.28×10-19焦耳,而量子測風(fēng)激光雷達(dá)需要探測單個(gè)光子6.67×10-10的相對多普勒頻移,才能實(shí)現(xiàn)0.1米/秒精度的徑向風(fēng)速測量。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,只能提高激光雷達(dá)的出射功率和增大望遠(yuǎn)鏡的面積,才能提高激光雷達(dá)探測信噪比。由于上述激光雷達(dá)量子效率低、噪聲高,其發(fā)射激光脈沖能量達(dá)0.125焦耳,望遠(yuǎn)鏡直徑0.4米,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重達(dá)數(shù)噸、功耗大。由于光學(xué)破壞閾值限制和大口徑望遠(yuǎn)鏡加工工藝限制,傳統(tǒng)激光雷達(dá)的性能已經(jīng)達(dá)到頂峰。
2015年4月,中國科大首次實(shí)現(xiàn)了單光子頻率上轉(zhuǎn)換的氣溶膠激光雷達(dá)[Optics Letters, 40, 1579 (2015)]。利用自主研制的周期極化鈮酸鋰波導(dǎo),將雷達(dá)接收的1.55微米單光子與2微米的連續(xù)泵浦光發(fā)生和頻,用硅探測器對產(chǎn)生的0.863微米的光子進(jìn)行探測。此時(shí),量子效率可達(dá)55%,暗噪聲僅16個(gè)/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(gè)/秒),提高了探測效率,降低了系統(tǒng)噪聲。該方法立刻引起德國宇航局、丹麥科技大學(xué)、白俄羅斯國立大學(xué)等同行的關(guān)注,于2016年3月采用相同技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(jìn)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(yuǎn)鏡(直徑0.08米)在國際上首次實(shí)現(xiàn)了大氣邊界層風(fēng)場的探測[Optics Express, 24, 19322 (2016)]。2016年11月,利用時(shí)分復(fù)用技術(shù),中國科大報(bào)道了當(dāng)前集成度最高的量子測風(fēng)激光雷達(dá),不僅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),還提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性,并免于周期性校準(zhǔn)[Optics Letters, 41, 5218 (2016)]。
通過提高量子效率(光電轉(zhuǎn)化效率)和光學(xué)集成度(系統(tǒng)光學(xué)效率),綜合抑制探測噪聲,實(shí)現(xiàn)了晝夜連續(xù)觀測的、輕小防振、低功耗、常溫環(huán)境下運(yùn)行的全光纖保偏結(jié)構(gòu)的激光雷達(dá)系統(tǒng),適合在機(jī)載、艦載、星載等平臺的惡劣環(huán)境下運(yùn)行。該技術(shù)為小型星載激光雷達(dá)提供了新思路,為普及高性價(jià)比、高穩(wěn)定性、超小型化的激光雷達(dá)奠定了基礎(chǔ)。
模塊化設(shè)計(jì)的量子測風(fēng)激光雷達(dá)
48小時(shí)連續(xù)探測結(jié)果:a)風(fēng)速時(shí)空分布;b) 風(fēng)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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