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新型差分吸收激光雷達(dá)（Differential absorption Lidar）與高功率、窄線寬DBR激光器

水汽在許多大氣過程中發(fā)揮著重要作用，是天氣的主要影響因素。大氣中的水汽濃度從行星邊界層至較低的平流層底部和對(duì)流層頂部之間跨越了超過4個(gè)數(shù)量級(jí)。特別是在平流層底部和對(duì)流層的水汽對(duì)地球的輻射收支有顯著和長(zhǎng)期的影響。

美國(guó)國(guó)家航空航天局蘭利研究中心（NASA Langley Research Center）一直致力于機(jī)載水汽差分吸收激光雷達(dá)（DIAL）的研究長(zhǎng)達(dá)30年，該種激光雷達(dá)用于大氣化學(xué)、高強(qiáng)度天氣變化和氣候過程的研究，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水汽差分吸收雷達(dá)（DIAL）系統(tǒng)在太空中對(duì)地球天氣和氣候的觀測(cè)應(yīng)用。目前NASA正在與美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）和蒙大拿州立大學(xué)開展合作，其研究人員正在實(shí)施一項(xiàng)覆蓋全美國(guó)范圍的水汽監(jiān)測(cè)分析網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于提高天氣預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和氣候模擬方面的研究。全自動(dòng)、人眼**并且具有低成本和小體積的地面水汽差分吸收雷達(dá)（DIAL）系統(tǒng)將應(yīng)用在該水汽監(jiān)測(cè)分析網(wǎng)絡(luò)中。NASA認(rèn)識(shí)到無論是機(jī)載差分吸收雷達(dá)、空間差分吸收雷達(dá)還是地面差分吸收雷達(dá)，它們都需要使用具有特定輸出波長(zhǎng)的激光器，這種激光器要求具有頻率快速調(diào)諧能力，能夠迅速鎖定到水汽的吸收譜線，并且具有窄線寬、堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)。找到這樣的激光器后就可以通過種子注入放大原理獲得大能量的脈沖激光輸出。

基于DBR激光芯片的種子注入激光器

為了滿足NASA的要求，Photodigm公司獲得了初級(jí)階段和隨后階段的NASA Small Business Innovation Research（SBIR）經(jīng)費(fèi)資助，這兩筆經(jīng)費(fèi)主要用于提升DBR激光芯片內(nèi)部一體化光柵的結(jié)構(gòu)和單次外延生長(zhǎng)制造工藝技術(shù)。

探測(cè)水汽的差分吸收激光雷達(dá)（DIAL）設(shè)備需要使用兩個(gè)間隔緊密的激光波長(zhǎng)，其中一個(gè)波長(zhǎng)要準(zhǔn)確地調(diào)諧到水汽的吸收線上；另一個(gè)波長(zhǎng)設(shè)置在距離水汽吸收線0.1nm以外。激光線寬小于1MHz的DBR激光器能夠快速地調(diào)諧到水汽吸收線對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上，DBR激光器輸出的高光譜純度與差分吸收激光雷達(dá)（DIAL）內(nèi)部的高精度標(biāo)準(zhǔn)具共同作用下，可以有效地減少背景輻射，提高DIAL系統(tǒng)在白天和多云條件下的性能表現(xiàn)。

為了滿足在9kHz重復(fù)頻率下輸出5uJ的脈沖能量，作為種子源應(yīng)用的DBR激光器需要選擇50-100mW的輸???功率，然后將該種子激光注入到錐形半導(dǎo)體放大器后就可以實(shí)現(xiàn)高能量的脈沖輸出。利用這種結(jié)構(gòu)輸出的激光具有頻率快速可調(diào)諧、波長(zhǎng)精度高、光譜純度好和高脈沖能量等特點(diǎn)，可以提高信噪比，保證回波信號(hào)間的差異只與水汽分子吸收有關(guān)。此外，激光要經(jīng)過擴(kuò)束后再輸出到空間中，因此這種擴(kuò)束后的激光可以確保人眼**不受損害。

由于水汽在700nm-950nm之間具有很多條吸收線，因此在選擇吸收線時(shí)，必須要挑選具有高吸收率和對(duì)大氣條件不敏感的吸收線作為探測(cè)分析用的譜線。經(jīng)過科研人員的分析后，NASA選定828.1nm光譜線作為地面差分吸收激光雷達(dá)（DIAL）的探測(cè)譜線，而817nm光譜線被選定為機(jī)載和星載差分吸收激光雷達(dá)（DIAL）的探測(cè)譜線。目前Photodigm已經(jīng)成功開發(fā)出828.1nm DBR激光器，并將很快推出817nm DBR激光器產(chǎn)品。

目前的差分吸收激光雷達(dá)（DIAL）系統(tǒng)中使用的是自由空間光輸出DBR激光器，由于輸出的激光具有發(fā)散性，因此需要進(jìn)行光學(xué)調(diào)整，光束整形過程中需要使用許多鏡片，會(huì)占用比較大的空間，并且鏡片容易受到污染。針對(duì)于這些問題，Photodigm公司正在設(shè)計(jì)新的激光器封裝形式，在新的激光器中將集成光隔離器，并且采用光纖耦合輸出以避免以上問題。