【儀表網(wǎng) 儀表新品】中國科學技術(shù)大學竇賢康教授課題組夏海云與潘建偉院士課題組張強經(jīng)過三年的合作，在上研制了單光子頻率上轉(zhuǎn)換量子測風激光雷達，實現(xiàn)了大氣邊界層氣溶膠和風場的晝夜連續(xù)觀測，在著名光學期刊《光學學報》[Optics Letters]和《光學快報》[Optics Express]上發(fā)表了一系列重要成果。

　　
　　通訊作者竇賢康介紹說，的大氣風場探測對數(shù)值天氣預報、氣候模型改進、軍事環(huán)境預報、生化氣體監(jiān)控、機場風切變預警等具有重大意義。多普勒測風激光雷達被公認為大氣風場遙感的佳方法，也是世界氣象組織列出的具挑戰(zhàn)性的激光雷達之一。我們通過探測大氣氣溶膠和風場，不僅能監(jiān)測大氣污染狀態(tài)、實時發(fā)現(xiàn)大氣污染源，還能對霧霾的形成和演化進行預報。
　　
　　激光雷達應用的首要前提是人眼安全。2007年，美國國家大氣研究中心報道了工作波長1.55微米的人眼安全的氣溶膠激光雷達。該近紅外波長的單個光子的能量僅為1.28×10-19焦耳，而量子測風激光雷達需要探測單個光子6.67×10-10的相對多普勒頻移，才能實現(xiàn)0.1米/秒精度的徑向風速測量。傳統(tǒng)觀點認為，只能提高激光雷達的出射功率和增大望遠鏡的面積，才能提高激光雷達探測信噪比。由于上述激光雷達量子效率低、噪聲高，其發(fā)射激光脈沖能量達0.125焦耳，望遠鏡直徑0.4米，導致結(jié)構(gòu)復雜、重達數(shù)噸、功耗大。由于光學破壞閾值限制和大口徑望遠鏡加工工藝限制，傳統(tǒng)激光雷達的性能已經(jīng)達到。
　　
　　2015年4月，中國科大實現(xiàn)了單光子頻率上轉(zhuǎn)換的氣溶膠激光雷達[Optics Letters, 40, 1579 (2015)]。利用自主研制的周期極化鈮酸鋰波導，將雷達接收的1.55微米單光子與2微米的連續(xù)泵浦光發(fā)生和頻，用硅探測器對產(chǎn)生的0.863微米的光子進行探測。此時，量子效率可達55%，暗噪聲僅16個/秒。與目前采用的銦鎵砷探測器直接探測1.55微米光子相比（量子效率10%，暗噪聲5000個/秒），提高了探測效率，降低了系統(tǒng)噪聲。該方法立刻引起德國宇航局、丹麥科技大學、白俄羅斯國立大學同行的關(guān)注，于2016年3月采用相同技術(shù)實現(xiàn)大氣二氧化碳的探測。
　　
　　2016年8月，中國科大采用全光纖保偏鑒頻器對單光子的頻移進行了測量，利用微弱光源（激光脈沖能量5×10-5焦耳）、小口徑望遠鏡（直徑0.08米）在上實現(xiàn)了大氣邊界層風場的探測[Optics Express, 24, 19322 (2016)]。2016年11月，利用時分復用技術(shù)，中國科大報道了當前集成度高的量子測風激光雷達，不僅簡化了系統(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[Optics Letters, 41, 5218 (2016)]。
　　
　　通過提高量子效率（光電轉(zhuǎn)化效率）和光學集成度（系統(tǒng)光學效率），綜合抑制探測噪聲，實現(xiàn)了晝夜連續(xù)觀測的、輕小防振、低功耗、常溫環(huán)境下運行的全光纖保偏結(jié)構(gòu)的激光雷達系統(tǒng)，適合在機載、艦載、星載等平臺的惡劣環(huán)境下運行。該技術(shù)為小型星載激光雷達提供了新思路，為普及高性價比、高穩(wěn)定性、超小型化的激光雷達奠定了基礎(chǔ)。
　　
　　（原標題：中國科大實現(xiàn)單光子頻率上轉(zhuǎn)換量子測風激光雷達）