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近地空间环境重点实验室研制国内首台窄带宽钠测温测风激光雷达

(2012-09-26)
   用于探测80-105km高度大气风场窄带宽钠测温测风激光雷达基于大气金属层(80-105km)中钠原子的共振荧光光谱随背景大气温度的展宽和在风场中的频移的原理,通过发射以钠原子589.0nm荧光共振峰值谱线为中心的三个不同频率的激光光束,激发80-105km高度钠原子产生荧光共振,进而利用望远镜接收这些共振荧光光子,通过分析其在三个不同频率上的回波光子数来同步反演该高度的大气温度和风速。

 

 

图1: 中科院近地空间环境重点实验室研制的窄带宽钠测温测风激光雷达

 

     和上面测风激光雷达类似,该系统(见图1)主要包括了发射系统、光学接收系统、以及控制和采集系统。发射系统主要由四台激光器(半导体连续激光器、环形染料激光器、脉冲泵浦激光器和脉冲染料放大激光器)、激光频率绝对锁定跟踪系统、三频激光发生器和自动准直系统组成。各部分的功能可简要描述为:半导体连续激光器泵浦环形染料激光器产生钠原子荧光谱线D2a峰值频率处的窄带激光589.158nm。激光频率主动锁定跟踪锁定系统用于将环形染料激光器产生的激光频率长时间高精度的锁定在其D2a的峰值频率处。三频激光发生器用于将环形染料激光器输出的窄带激光产生该激光雷达所需的三个频率的种子光源。脉冲泵浦激光器泵浦脉冲染料放大器和三频率的种子光源相互作用,放大三个频率的激光功率。自动准直系统用于自动准直激光发射光束光轴和望远镜的接受光轴。光学接收系统由两台固定指向望远镜构成,用于接收钠荧光共振光子的后向散射信号。控制和采集系统主要用于控制全系统的接收时序和进行信号的采集、处理。

 

图2: 窄带宽钠测温测风激光雷达观测的风场、温度、及钠密度

 

     该系统是国内首台、国际上第4台窄带宽钠层测温测风激光雷达,系统建成后,已经进行了长达近3年的观测,并与流星雷达风场探测和SABER卫星的温度测量结果进行了比对验证。

    该部分工作发表于国际著名光学期刊Appl. Opt.,审稿人认为“该激光雷达是当今世界是仅有的几台之一,极具有价值”,“东亚地区对于中间层顶温度和风的观测极其稀少,该激光雷达将受到瞩目”。

 

(中科院近地空间环境重点实验室)


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