莱布尼茨与弗劳恩霍夫研究所联合打造激光器，用于气候研究领域

在过去的几年里，来自弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）和莱布尼茨大气物理研究所 (IAP)的研究团队开发了新一代的激光测量设备，用于探索大气与气候。而在上月的慕尼黑激光世界光子学大会上，他们展示了最新一代的移动系统，它可以测量从地面到100公里以上高度的风和温度。

本周，ILT反馈称，15000名参观者中有许多人对他们展出的系统表现出极大的兴趣，包括用于空间应用和地面测量的激光。

该多普勒激光雷达系统的核心是二极管泵浦翠绿石激光器。有了这个光束源，ILT的工程师们就可以开发出体积很小的仪器（包括发射和接收光学系统），这些仪器只有1m×1m×1m。

最新一代的激光雷达系统以1kHz的频率在5个不同的观测方向之间切换，切换速率最高可达1千赫。（图片来源：Fraunhofer ILT）

ILT的Michael Strotkamp博士表示:“闪光泵浦紫绿石激光器的原始版本是在莱布尼兹天体物理学研究所（IAP）开发的，并安装在集装箱中。基于新开发的二极管泵浦光束源，我们的系统在稳定性和使用寿命方面明显优于旧的闪光灯泵浦系统。”

在过去的18个月里，两个激光样机被集成到激光雷达系统中，并在莱布尼茨大气物理研究所的测量活动中成功进行了测试。另外两个系统将于2022年5月从德国亚琛出货交付。随着更强大的泵浦二极管完成安装，它们将提供超过2W的输出功率，大大超过以前的产品。

从一开始，以Josef H?ffner博士为领导的大气研究团队就参与了激光系统的开发。而现在，他们拥有世界上最紧凑的系统——用于精确测量从地面到高海拔地区的气候数据。作为莱布尼茨大气物理研究所旗下激光雷达垂直和水平覆盖项目（VAHCOLI）的一部分，一个网络中的几个系统将能够联合调研监测数万平方公里的天空区域。

该系统未来也有望投向卫星应用，研究人员可以从更上层的空间对大气进行测量。目前，由德法两国携手开展的气候任务——甲烷遥感激光雷达任务(MERLIN)正是进行这方面的操作。在3年研究期内，一颗小型卫星将观测地球大气层中的温室气体甲烷，而卫星监测将为大气物理学提供有价值的数据。这将有助于更好地理解100公里以上不同层之间大气与气候环境之间的相互作用，从而显著改善气候和天气模型。

MERLIN公司还配备了一套激光雷达系统，而激光器的核心部件——激光光学工作台，也来自ILT。在甲烷测量操作中，激光脉冲以1645纳米左右的两种波长发射到大气中。后向散射光信号之间的差值提供了甲烷的绝对浓度，而各自离地球表面的高度则由脉冲的过境时间得出。

用于实际飞行的系统建设将于今年开始。在集成到空客防务与空间公司（Airbus Defense and Space）开发的压密外壳后，激光源将在完成后交付给客户空客防务与空间公司。

“真正的挑战是使我们的技术符合太空项目的要求，”MERLIN项目经理Bastian Gronloh表示，“我们大约10年前就开始使用FULAS平台，现在所有组件都已经合格。”

FULAS是未来激光系统(FUture LAser System)的缩写，这是一种基于光学系统焊接组装技术的多功能激光平台，由弗劳恩霍夫ILT与空客公司合作开发。最重要的是，为了这个目的，完善了焊接技术，精确地连接和调整光学元件，并具有长期的稳定性。

MERLIN激光器正在亚琛研究所的一间无尘室中组装。个别部件和激光的3D打印演示器在激光贸易展上展出。据委托空客提供仪器的DLR航天局表示，该任务计划于2027年发射。模型原理和组装概念当然也可以应用于其他激光器，尤其是对激光精度和可靠性提出最高要求时。