基于二极管泵浦变石的激光雷达监测高层大气

对于气候研究人员来说，更高的大气层（意指30-120公里）变得越来越有趣，但是40公里以上的区域只能使用常规的研究方法直接由探空火箭进入。 基于二极管泵浦变石激光器新开发的LIDAR系统将很快实现远程研究。莱布尼兹大气物理研究所（IAP）和弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）的科学家们正在开发一种可独立工作的便携式系统。该团队说，将来，这种激光雷达网络将能够连续不断地从大气中大规模传输数据。

自1990年代以来，位于德国库伦斯博恩（Kühlungsborn）的IAP一直在利用自己的激光雷达系统对中层空间进行研究。借助其闪光灯泵浦的变石激光器，这套庞大的系统将整个船用集装箱装满了。 它的使用也受到限制，因为它消耗了大量能量并且需要复杂的对齐方式。

二极管泵浦变石激光器将激光雷达的尺寸缩小了100倍

变石激光器

在德国航空航天中心（DLR）资助的长期双边项目和ALISE项目中，IAP和ILT的科学家共同开发了一种新的LIDAR系统。该系统只有洗衣机大小，几乎无需维护。除了体积更小之外，它的能耗也降低了100倍，现在低于500W。新系统的核心是ILT研发的二极管泵浦变石激光器。该系统以500 Hz的重复频率提供高达1.7 mJ的脉冲，从而提供了高空间和时间分辨率。凭借其0.2％的脉冲间稳定性和高光束质量（M2优于1.1），它使得在目标高度进行精确测量成为可能。对于激光雷达应用而言，另一个特别重要的功能是小于4 MHz的窄线宽，激光以脉冲单频操作提供该线宽。

在DLR项目中，空中客车公司的专家评估了激光器在太空应用中的适用性。整个系统已在实验室级别成功测试，并按技术就绪级别（TRL）进行了分类。该激光器的组件与FULAS平台相兼容，这是Fraunhofer ILT开发的用于太空中的激光应用，甚至符合TRL 6 –改为“在实际操作条件下进行验证”。

LIDAR网络可以首次监视高层大气。

3D打印到LIDAR网络

新型亚历山大变石激光器的前两代是实验室装置，已经从大气中获得了测量结果。第三代产品更加紧凑，适合集成到现场测量的可运输系统中。除激光器外，一项正在申请专利的新技术还可以将光学组件固定在适当的位置：光学器件被夹在特殊的塑料支架中。这些是完整模块的一部分，这些完整模块是使用3D打印机经济有效地制造的,仪器支架也可以通过3D打印来生产。科学家于2019年10月建立了首个紧凑型激光雷达系统。到2020年底，还将完成另外三个系统。开发人员打算为VAHCOLI项目建立激光雷达系统网络。 VAHCOLI代表“ LIdar的垂直和水平覆盖”。 LIDAR网络将首次以高时间分辨率在三个维度上测量中层大气中的风场和温度场。

测量全球

为了继续用变石激光器开发LIDAR系统，IAP于2019年9月成立了一个新大厅。不仅可以在那里建造更多的VAHCOLI系统，而且可以进一步开发Fraunhofer ILT的光束源-例如，具有扩展的波长范围以进行UV测量–也可以测试。在IAP开发的基于铁原子（386 nm）的温度测量方法首次用于精确确定南极夏季极地温度。由于可以在更宽的范围内（约720-810 nm）调整激光波长，因此将来可以实现许多其他重要的测量波长。

当前，紧凑型激光雷达系统使用770 nm的钾离子线在大气中进行测量。使用这些系统，计划在极地地区以及其他地方开展测量活动。借助新的特别稳定的激光技术，还可以进行大量测量，例如，使用飞机上的系统测量大气中火山灰的分布，或者在中期使用卫星系统收集全球大气中的火山灰、气候数据。