基于LD泵浦放大器的全固态钠激光雷达系统开发与初步观测

研究人员针对传统脉冲染料放大器(PDA)钠激光雷达系统染料寿命短、维护困难等问题，开发了基于激光二极管(LD)泵浦放大器的全固态钠激光雷达系统。该系统采用LD端面泵浦和侧面泵浦技术，实现了4.5 W的平均输出功率，通过激光拍频技术实现快速三频切换，并利用饱和吸收光谱实现绝对频率锁定。与PDA系统对比观测显示，新系统信噪比显著提高，为中层和低热层(MLT)区域钠原子密度、温度和风场的精确快速探测提供了新方案。

　　

在高层大气研究中，中层和低热层(MLT)区域的钠层探测一直是重要课题。传统脉冲染料放大器(PDA)系统虽然广泛应用，但存在染料寿命短、维护频繁等痛点，尤其在偏远地区难以长期稳定运行。此外，基于闪光灯泵浦的全固态系统又面临热负载高、频率稳定性差等技术瓶颈。这些问题严重制约了对MLT区域大气动力学和光化学过程的持续观测。

中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的研究团队创新性地开发了基于LD泵浦放大器的全固态钠激光雷达系统。该系统通过三项核心技术突破：采用Ramp-Hold-Fire种子注入技术保障1319 nm激光频率稳定性；利用光学锁相环实现±630 MHz三频快速切换；创新设计无振荡腔的LD多级放大结构，最终在乌鲁木齐南山站(87.1°E,43.3°N)完成系统验证，相关成果发表在《Optics》期刊。

关键技术方面，研究人员首先通过1319 nm非平面环形振荡器(NPRO)和1064 nm分布式反馈(DFB)激光器的和频产生589 nm连续激光，结合钠原子饱和吸收光谱实现亚兆赫兹级频率锁定。其次采用光纤放大器配合三级端面泵浦和一级侧面泵浦结构，使1064 nm脉冲能量突破40 mJ。最后利用锂三硼酸(LBO)晶体实现26%的和频转换效率，输出15 mJ@300 Hz的589 nm脉冲激光。

研究结果显示：在系统性能方面，新型激光雷达体积仅1×0.5×0.15 m³，频率漂移<2 MHz，功率稳定性RMS达1.1%@1h。对比观测数据显示，在相同5 mJ/脉冲条件下，全固态系统的信噪比(SNR=249)是PDA系统(SNR=82)的3倍。

在探测能力方面，88 km高度钠层峰值处的测量不确定度显著降低：温度测量误差从PDA系统的1.1 K降至0.5 K；风场测量误差从1.24-1.48 m/s降至0.67-0.69 m/s。FS-FADOF滤光片的0.003 nm窄带特性更实现了昼夜连续观测。

通过多日观测数据验证，该系统成功捕捉到MLT区域的动力学特征：温度剖面显示87 km处存在240 K的波动峰，与重力波扰动相关；风场数据则记录到04时107 km高度的经向风峰值(5 m/s)和02时105 km高度的纬向风变化。这些结果与PDA系统高度一致，但提供了更精细的时空分辨率。

该研究突破了传统钠激光雷达的技术局限：相比PDA系统，免除染料更换需求；相较闪光灯泵浦方案，LD泵浦使电光转换效率提升10倍；创新的无腔放大结构彻底避免了啁啾效应。这些进步为车载、星载激光雷达发展奠定了基础，将显著提升对中间层顶区钠层突发、大气潮汐波等现象的监测能力。未来通过进一步提升脉冲能量，该系统有望成为研究空间天气与低层大气耦合的关键技术手段。