基于二极管泵浦的变石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（30-120公里）越来越成为人们关注的焦点，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的新开发的激光雷达（LIDAR）系统将很快实现远程研究。Leibniz大气物理研究所（IAP）和Fraunhofer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低能耗系统。该团队认为这种激光雷达网络将能够连续不断地在大气中大规模传输数据。

自1990年代以来，位于德国库Kühlungsborn的IAP一直在利用自己的激光雷达系统对中层大气进行研究。该系统中的变石激光器由闪光灯泵浦，系统的体积接近于一个船用集装箱。另外，由于它具有大量能耗，并且需要复杂的准直方式，其使用也受到限制。

二极管泵浦的变石激光器将激光雷达的体积缩小了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。该系统体积和一台洗衣机的大小差不多，且几乎无需维护。除了体积更小之外，它的能耗低于500W，约降低了100倍。

新系统的核心是ILT研发的二极管泵浦变石激光器。该系统的重复频率500 Hz，脉冲能量高达1.7 mJ，从而具有高空间和时间分辨率。其脉冲间稳定性～0.2％的和光束质量（M^2<1.1）高，因此可在目标高度进行精确测量。对于激光雷达应用而言，另一个特别重要的特点是小于4 MHz的线宽，意味着激光以单频脉冲操作。

在DLR的项目中，Airbus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，并按技术就绪级别进行了分类。激光器的组件与ILT开发的用于太空中的激光应用的FULAS平台兼容。

3D打印实现LIDAR系统

新型变石激光器的前两代主要应用于实验室，它们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。

研究人员于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代表激光雷达观测方向在垂直和水平上的结合。 LIDAR系统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。

全球测量

为了继续用变石激光器开发LIDAR系统，IAP于2019年9月成立了一个研究中心。该中心不仅可以建造更多的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从而也可进行紫外光测量。IAP开发的用于基于铁原子（386 nm）的温度测量方法首次用于精确确定南极的夏季极地温度。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。研究人员计划使用这种系统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气候数据。