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        Fraunhofer ILT攜手合作伙伴開發用于氣候研究的激光技術

        2022.06.14

        當前,新冠疫情的肆虐暴發是全球關注的焦點。盡管如此,全球氣候變化形勢依然嚴峻,對此,人類社會亟需面對一個至關重要的問題:大氣層是如何演變的以及需要采取哪些措施。


        過去的幾年內,來自德國弗勞恩霍夫激光技術研究所(Fraunhofer ILT)和德國萊布尼茨大氣物理研究所 (IAP)的研究團隊攜手開發出新一代用于探索大氣層與氣候的激光測量設備,在今年的慕尼黑激光及光電展覽會( LASER World of PHOTONICS)上,他們展示了最新一代的移動式激光測量系統,可以測量從地面到 100 公里以上高度的風速和溫度。


        圖1. 最新一代的激光雷達系統以1kHz的頻率在5個不同的觀測方向之間切換 (Credit: IAP)


        這款利用多普勒技術進行大氣探測的激光雷達系統的核心是二極管泵浦翠綠寶石激光器。借助這一光束源,Fraunhofer ILT的工程師們便可以開發出體積僅為1m x 1m x 1m的緊湊型激光發射與接收光學系統。ILT的Michael Strotkamp博士表示:“基于閃光燈泵浦的翠綠寶石激光器的初始版本是在IAP開發的,并被安裝在一個集裝箱中。如今,有了新研發的二極管泵浦激光光源,我們的測量系統無論在穩定性亦或使用壽命等方面,都明顯優于之前的閃光燈泵浦系統?!?/span>


        與激光雷達系統的集


        在過去的18個月里,兩臺激光樣機被集成到多普勒激光雷達系統中,并在位于Kühlungsborn的IAP成功進行了測試和測量。另外兩臺系統已于2022年5月從德國亞琛完成出貨交付。借助性能更優異的泵浦二極管,它們將能夠提供超過2W的輸出功率,大幅超越以往的產品。從一開始,以 Josef H?ffner博士為領導的大氣研究團隊便參與了該激光系統的開發。如今,他們擁有了世界上最緊湊的激光測量系統——用于精確測量從地面到高海拔地區的氣候數據。


        作為IAP旗下VAHCOLI項目(激光雷達觀測方向在垂直和水平上的結合)的部分內容,一個網絡體系中的幾個系統將能夠共同勘測數萬平方公里的天空區域。同時,針對該系統未來在衛星領域應用的探討目前也在進行中。無論如何,衛星監測將為大氣物理學的研究提供有價值的數據,這將有助于更好地理解海拔高度超過 100 公里的氣候環境及不同大氣層之間的相互作用,從而顯著改善氣候和天氣模型。




        圖2. 二極管泵浦翠綠寶石激光器是一種緊湊型設備,用于研究高達 100 公里以上高度的大氣層情況(Credit: Fraunhofer ILT)


        MERLIN項目概述


        此外,研究人員還可以從更上層的空間對大氣進行測量。目前,由德法兩國攜手開展的氣候項目——甲烷遙感雷達監測任務(MERLIN)的目標正是如此。MERLIN項目應用激光雷達技術(LIDAR),通過發送激光脈沖進入大氣,采集并分析反射信號來測量甲烷的含量。 在3年的研究期內,一顆小型衛星將觀測地球大氣層中的溫室氣體甲烷,以提高對氣候變化的了解。


        這款甲烷遙感激光雷達衛星 MERLIN搭載了激光雷達系統,而激光系統的核心元件——激光光學工作臺是由Fraunhofer ILT開發的。針對甲烷測量,激光脈沖以1645nm左右的兩個波長發射到大氣中。反向散射光信號之間的差值提供了甲烷的絕對濃度,而它們各自距離地表面的高度則由脈沖的傳輸時間決定。



        用于MERLIN項目的激光光源于2020年通過了關鍵設計評審(Critical Design Review),而工程鑒定模型(Engineering Qualification Model)自去年開始建設。這兩項都是獲得太空飛行資質的重要條件。用于實際飛行系統的建設工作于2022年開始部署,在集成到由空中客車防務及航天公司(Airbus Defence and Space)開發的耐壓外殼中后,激光光源將在完成后交付給該公司?!罢嬲奶魬鹗鞘刮覀兊募夹g能夠符合及匹配太空項目的要求,”Fraunhofer ILT負責MERLIN 項目的Bastian Gronloh 說道。大約 10 年前,我們就開始使用 FULAS 平臺開展這項工作,目前所有組件都已通過認證?!?FULAS 是FUture LAser System(未來的激光系統)的縮寫,這是一種基于光學系統焊接組裝技術的多功能激光平臺,由Fraunhofer ILT 與空客公司(Airbus)合作開發。最重要的是,為此目的完善了焊接技術,通過該技術能夠以超高精度連接和調整光學元件,并展現長期的穩定性。




        圖3.焊接工程鑒定模型的第一組光學元件(Credit: Fraunhofer ILT)


        目前,MERLIN 激光器正在Fraunhofer ILT 的無塵室中組裝。根據委托空客公司制造該儀器的德國航空航天中心(DLR)稱,該任務計劃擬于 2027 年啟動。誠然,模型原理和組裝概念也可以應用于其他激光器,特別是對激光器精度和可靠性提出最高要求的各種場景。


                                                                                                (來源:激光界訂閱)


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