——在強(qiáng)烈日光下能檢測(cè)到100km外單原子的激光光束反射

大氣研究通過(guò)脈沖激光來(lái)測(cè)量100km高空多普勒(Doppler)頻移后向散射光，從而測(cè)量沿光束的溫度和風(fēng)速。這種方式返回的信號(hào)非常弱，有時(shí)甚至受到陽(yáng)光的阻擋。然而萊布尼茨大氣物理研究所(IAP)解決了這一問(wèn)題。萊布尼茨大氣物理研究所獨(dú)創(chuàng)了全球首款可在白天使用的便攜式設(shè)備，為南極大氣條件的研究提供了新的見(jiàn)解。新一代小巧且可靠的系統(tǒng)采用新型二極管泵浦固體激光器，其核心使用了Spectrum儀器提供的任意波形發(fā)生器(AWG)以及兩款數(shù)字化儀，以確保研究所需的高速、高靈敏度以及實(shí)時(shí)性能。

萊布尼茨大氣物理研究所測(cè)試的不同激光

該測(cè)量技術(shù)被稱(chēng)為多普勒共振激光雷達(dá)。這是由于將激光精確地調(diào)節(jié)至金屬原子的共振躍遷而形成的反向散射光。反向散射信號(hào)非常弱(每個(gè)激光脈沖產(chǎn)生單個(gè)光子)，白天幾乎完全被太陽(yáng)輻射淹沒(méi)。夜間與白天測(cè)量最大的區(qū)別在于，白天的背景噪音是夜間的108倍。

研究80km到110km之間的大氣溫度分布被稱(chēng)為MLT(中間層和低熱層)，這對(duì)進(jìn)行地球氣候的數(shù)值模擬至關(guān)重要。進(jìn)行這項(xiàng)研究的一種成熟方式是測(cè)量金屬原子的多普勒展寬線寬，例如在770nm處的鉀共振線和在372nm或386nm處的鐵共振線使用脈沖激光的共振激光雷達(dá)系統(tǒng)。到目前為止，這些激光器都使用了閃光燈泵浦。但是，這是首個(gè)使用高效、可調(diào)節(jié)、二極管泵浦和紫翠綠寶石激光所研發(fā)的新型激光系統(tǒng)項(xiàng)目。該激光器能夠更好地應(yīng)對(duì)惡劣的環(huán)境條件，例如研究船舶或極地地區(qū)。憑借這項(xiàng)技術(shù)，大約1個(gè)原子/ cm3的濃度足以在100km的距離進(jìn)行溫度和風(fēng)速測(cè)量，這種大氣壓力低于只有火箭可以進(jìn)入的高度。

該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Josef Höffner博士解釋說(shuō)：“該項(xiàng)目旨在創(chuàng)造適用于全球的小型移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)適用于南極洲等環(huán)境惡劣的地區(qū)，在無(wú)需對(duì)設(shè)備頻繁訪問(wèn)的情況下進(jìn)行自動(dòng)操作。因此，我們需要非常堅(jiān)固且耐用的組件。除此之外，設(shè)備對(duì)靈敏度、速度以及靈活度也具有極高的要求。Spectrum儀器的設(shè)備性能卓越，產(chǎn)品所提供的五年質(zhì)保期也加深了我們對(duì)其產(chǎn)品的信賴(lài)。”

將移動(dòng)式激光雷達(dá)從破冰船“Aurora Australis”卸載到澳大利亞南極站Davis(69°S)的冰面上

這個(gè)項(xiàng)目有幾個(gè)方面可以提升測(cè)量的結(jié)果。第一種方法是通過(guò)使用高分辨率的小視場(chǎng)以及光學(xué)濾波來(lái)抑制背景噪音。這意味著激光必須在視場(chǎng)以及所有濾光器中穩(wěn)定。激光器本身需要具有納秒定時(shí)功能的多功能且穩(wěn)定的系統(tǒng)。這是由Spectrum M2i.6012 20 MS / s AWG控制，每天24小時(shí)以500個(gè)脈沖每秒的速度發(fā)射。來(lái)自反向散射光的信號(hào)由Spectrum M4i.4421 250 MS / s 16位數(shù)字化儀處理。使用M4i.2221 2.5 GS / s 8位數(shù)字化儀卡測(cè)量激光器內(nèi)的條件。在實(shí)時(shí)處理測(cè)量數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)每天24小時(shí)處理超過(guò)1 GByte / sec，響應(yīng)時(shí)間約為1 ms。 IAP開(kāi)發(fā)的軟件包一共管理21個(gè)信號(hào)。

Höffner博士表示：“我們通過(guò)將快速且靈活的電子設(shè)備與實(shí)時(shí)功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了小巧、高度集成的解決方案。與此前大型且難以處理的解決方案相比，此次改進(jìn)可謂意義非凡。我們的舊系統(tǒng)需要一個(gè)10噸，體積為6米的容器。使用Spectrum儀器的數(shù)字化儀卡和一種新型激光器使我們的系統(tǒng)縮小到1500kg。我們甚至還能夠使其再度縮小以適應(yīng)一個(gè)只有250kg的1米方箱。最重要的是，它將使用相同的電子設(shè)備和更小巧的先進(jìn)激光器。

這種新型設(shè)備小巧且具有超強(qiáng)的靈敏度和便攜性，使研究人員能夠在偏遠(yuǎn)地區(qū)以前所未有的分辨率和精度獲得新的溫度數(shù)據(jù)。Höffner博士表示：“測(cè)量結(jié)果已經(jīng)為我們對(duì)大氣的認(rèn)知產(chǎn)生了重大影響，真正令人興奮的是，我們已經(jīng)向世界證明我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)可靠、輕便、小巧且高效的系統(tǒng)，足以完成未來(lái)的太空任務(wù)。”

Höffner博士在10月9日至12日在希臘哈尼亞舉行的國(guó)際空間光學(xué)會(huì)議上介紹了該項(xiàng)目的最新成果。