【儀表網(wǎng) 儀表新品】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)竇賢康教授課題組夏海云與潘建偉院士課題組張強(qiáng)經(jīng)過三年的合作，在上研制了單光子頻率上轉(zhuǎn)換量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)了大氣邊界層氣溶膠和風(fēng)場(chǎng)的晝夜連續(xù)觀測(cè)，在著名光學(xué)期刊《光學(xué)學(xué)報(bào)》[Optics Letters]和《光學(xué)快報(bào)》[Optics Express]上發(fā)表了一系列重要成果。
通訊作者竇賢康介紹說，的大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候模型改進(jìn)、軍事環(huán)境預(yù)報(bào)、生化氣體監(jiān)控、機(jī)場(chǎng)風(fēng)切變預(yù)警等具有重大意義。多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)被公認(rèn)為大氣風(fēng)場(chǎng)遙感的佳方法，也是世界氣象組織列出的具挑戰(zhàn)性的激光雷達(dá)之一。我們通過探測(cè)大氣氣溶膠和風(fēng)場(chǎng)，不僅能監(jiān)測(cè)大氣污染狀態(tài)、實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)大氣污染源，還能對(duì)霧霾的形成和演化進(jìn)行預(yù)報(bào)。
激光雷達(dá)應(yīng)用的首要前提是人眼安全。2007年，美國(guó)國(guó)家大氣研究中心報(bào)道了工作波長(zhǎng)1.55微米的人眼安全的氣溶膠激光雷達(dá)。該近紅外波長(zhǎng)的單個(gè)光子的能量?jī)H為1.28×10-19焦耳，而量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)需要探測(cè)單個(gè)光子6.67×10-10的相對(duì)多普勒頻移，才能實(shí)現(xiàn)0.1米/秒精度的徑向風(fēng)速測(cè)量。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，只能提高激光雷達(dá)的出射功率和增大望遠(yuǎn)鏡的面積，才能提高激光雷達(dá)探測(cè)信噪比。由于上述激光雷達(dá)量子效率低、噪聲高，其發(fā)射激光脈沖能量達(dá)0.125焦耳，望遠(yuǎn)鏡直徑0.4米，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重達(dá)數(shù)噸、功耗大。由于光學(xué)破壞閾值限制和大口徑望遠(yuǎn)鏡加工工藝限制，傳統(tǒng)激光雷達(dá)的性能已經(jīng)達(dá)到。
2015年4月，中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)了單光子頻率上轉(zhuǎn)換的氣溶膠激光雷達(dá)[Optics Letters, 40, 1579 (2015)]。利用自主研制的周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)，將雷達(dá)接收的1.55微米單光子與2微米的連續(xù)泵浦光發(fā)生和頻，用硅探測(cè)器對(duì)產(chǎn)生的0.863微米的光子進(jìn)行探測(cè)。此時(shí)，量子效率可達(dá)55%，暗噪聲僅16個(gè)/秒。與目前采用的銦鎵砷探測(cè)器直接探測(cè)1.55微米光子相比（量子效率10%，暗噪聲5000個(gè)/秒），提高了探測(cè)效率，降低了系統(tǒng)噪聲。該方法立刻引起德國(guó)宇航局、丹麥科技大學(xué)、白俄羅斯國(guó)立大學(xué)同行的關(guān)注，于2016年3月采用相同技術(shù)實(shí)現(xiàn)大氣二氧化碳的探測(cè)。
2016年8月，中國(guó)科大采用全光纖保偏鑒頻器對(duì)單光子的頻移進(jìn)行了測(cè)量，利用微弱光源（激光脈沖能量5×10-5焦耳）、小口徑望遠(yuǎn)鏡（直徑0.08米）在上實(shí)現(xiàn)了大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)[Optics Express, 24, 19322 (2016)]。2016年11月，利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，中國(guó)科大報(bào)道了當(dāng)前集成度高的量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，并免于周期性校準(zhǔn)[Optics Letters, 41, 5218 (2016)]。
通過提高量子效率（光電轉(zhuǎn)化效率）和光學(xué)集成度（系統(tǒng)光學(xué)效率），綜合抑制探測(cè)噪聲，實(shí)現(xiàn)了晝夜連續(xù)觀測(cè)的、輕小防振、低功耗、常溫環(huán)境下運(yùn)行的全光纖保偏結(jié)構(gòu)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，適合在機(jī)載、艦載、星載等平臺(tái)的惡劣環(huán)境下運(yùn)行。該技術(shù)為小型星載激光雷達(dá)提供了新思路，為普及高性價(jià)比、高穩(wěn)定性、超小型化的激光雷達(dá)奠定了基礎(chǔ)。
（原標(biāo)題：中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)單光子頻率上轉(zhuǎn)換量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)）
