發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡

        近日，由中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所研制的我國(guó)首臺(tái)“白光激光雷達(dá)裝置”通過(guò)驗(yàn)收。據(jù)了解，此次完成的是一套用于大氣微量成分濃度探測(cè)的白光激光雷達(dá)裝置，整套系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成：TW級(jí)飛秒激光器；啁啾控制裝置；發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡；信號(hào)同步控制；時(shí)間分辨的光譜探測(cè)系統(tǒng)。白光激光雷達(dá)是激光雷達(dá)的一個(gè)重要新興領(lǐng)域，它的研制成功將為遙感探測(cè)大氣打開(kāi)新的途徑。

        飛秒激光技術(shù)新利用

        20世紀(jì)90年代以來(lái)，高功率飛秒激光技術(shù)得到長(zhǎng)足的進(jìn)步，50飛秒幾個(gè)太瓦的高功率激光系統(tǒng)已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)設(shè)備。飛秒高功率激光在大氣傳輸時(shí)由于光學(xué)克爾效應(yīng)使得光束在傳輸中發(fā)生光束塌縮，形成自聚焦；自聚焦導(dǎo)致激光強(qiáng)度急劇提高使得大氣分子發(fā)生電離；電離產(chǎn)生等離子體的散焦效應(yīng)和克爾效應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡使飛秒高功率激光在大氣中形成長(zhǎng)距離電離通道。伴隨通道現(xiàn)象，超短激光脈沖與介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)，形成超連續(xù)光譜。這種超連續(xù)現(xiàn)象在光譜上覆蓋190nm~4500nm的廣泛區(qū)域，這樣寬的光譜帶寬幾乎可以包括全部自然分子、離子的特征光譜以及大部分人造污染物的特征光譜，同時(shí)超連續(xù)光具有后向散射增強(qiáng)特性，與瑞利散射相比后向散射截面增大4~5個(gè)數(shù)量級(jí)。
        基于飛秒激光大氣傳輸特性，白光激光雷達(dá)隨之問(wèn)世。2000年，P.Rairoux等首次利用飛秒激光進(jìn)行了遙感探測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：太瓦級(jí)飛秒激光脈沖能傳輸?shù)绞畮浊椎母呖?，在發(fā)射出去的雷達(dá)信號(hào)中，自導(dǎo)光絲中產(chǎn)生的超連續(xù)白光優(yōu)先反射回來(lái)，從而可檢測(cè)到從12km高空反射回來(lái)的白光雷達(dá)信號(hào)。2001年由德國(guó)和法國(guó)合作的Teramobile項(xiàng)目小組研制成功了世界上第一臺(tái)車載白光激光雷達(dá)。白光激光雷達(dá)綜合了長(zhǎng)程差分吸收技術(shù)的高靈敏度，激光雷達(dá)的高空間、時(shí)間分辨等優(yōu)點(diǎn)，可以在0.3μm～4μm全光譜波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)空間分辨遙感探測(cè)，大大拓展了激光雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域。白光激光雷達(dá)裝置不僅可以利用傳統(tǒng)的差分吸收光譜技術(shù)進(jìn)行探測(cè)，而且利用高功率激光與大氣物質(zhì)（分子和氣溶膠）的非線性相互作用，可以利用相干拉曼散射、多光子熒光發(fā)射光譜、激光等離子體發(fā)射等多種技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣化學(xué)成分、大氣氣溶膠成分的遙感探測(cè)。

        白光激光雷達(dá)新優(yōu)勢(shì)

        白光激光雷達(dá)作為激光雷達(dá)的一種，其基本工作原理與激光雷達(dá)是一樣的，但它使用飛秒激光遠(yuǎn)距離產(chǎn)生的絲狀等離子體作為光源，與普通激光雷達(dá)工作模式不同。關(guān)于白光激光雷達(dá)的初步研究表明，作為新型的大氣遙感探測(cè)手段，白光激光雷達(dá)主要有以下兩大優(yōu)點(diǎn)：
        一、白光激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了寬帶光譜探測(cè)與空間分辨探測(cè)的結(jié)合。白光激光雷達(dá)可以在探測(cè)高度形成絲狀等離子體白光光源，利用白光的超連續(xù)輻射特性可以進(jìn)行大氣組分探測(cè)，與常規(guī)雙波長(zhǎng)差分吸收激光雷達(dá)不同，它可實(shí)現(xiàn)全光譜范圍多種成分同時(shí)探測(cè)。常規(guī)雙波長(zhǎng)差分吸收激光雷達(dá)采用單色激光源，一次只能探測(cè)一種物質(zhì)。對(duì)于探測(cè)復(fù)雜多變的大氣成分和污染物來(lái)說(shuō)，常規(guī)差分吸收激光雷達(dá)有較大的局限性。而白光激光雷達(dá)使用的是飛秒激光自聚焦后產(chǎn)生的超連續(xù)白光，在光譜上覆蓋0.2μm～4.5μm的廣泛區(qū)域，這樣寬的光譜帶寬幾乎可以包括全部自然分子、離子的特征光譜以及大部分人造污染物的特征光譜。
        利用日光、月光等自然白光光源，也可以進(jìn)行被動(dòng)式的遙感探測(cè)，但只能測(cè)量全路徑上的白光信號(hào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)空間分辨。白光激光雷達(dá)是利用飛秒激光自聚焦后產(chǎn)生的白光做為光源，屬于主動(dòng)式的遙感探測(cè)。通過(guò)控制飛秒激光在遠(yuǎn)距離處自聚焦的位置，可以實(shí)現(xiàn)白光激光雷達(dá)探測(cè)大氣時(shí)的空間分辨。
        二、白光激光雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)多種氣溶膠成分的實(shí)時(shí)熒光光譜探測(cè)。傳統(tǒng)測(cè)量氣溶膠成分分析需要采集后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行熒光光譜分析。這種方法不能對(duì)大氣中氣溶膠的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)；而普通的Mie散射激光雷達(dá)只能通過(guò)探測(cè)氣溶膠的折射指數(shù)的虛部來(lái)估計(jì)氣溶膠的成分變化，精度很低。
        白光激光雷達(dá)通過(guò)飛秒激光脈沖自聚焦效應(yīng)，達(dá)到很強(qiáng)的功率密度，可以局域電離遠(yuǎn)距離處的大氣，形成等離子體，輻射出超連續(xù)白光。這種超連續(xù)白光的寬譜結(jié)構(gòu)使得白光激光雷達(dá)能夠分析實(shí)際大氣的氣溶膠成分。白光激光雷達(dá)不僅繼承了Mie散射激光雷達(dá)測(cè)量氣溶膠的優(yōu)點(diǎn)，又通過(guò)改變探測(cè)光源而提高了自身的探測(cè)能力，真正實(shí)現(xiàn)了多種氣溶膠成分的實(shí)時(shí)熒光光譜探測(cè)。
        目前，白光激光雷達(dá)裝置已建成并投入正式使用，將對(duì)飛秒高功率傳輸特性研究、超連續(xù)白光機(jī)制研究以及大氣遙感探測(cè)新方法研究產(chǎn)生促進(jìn)作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。