中巴共建大氣激光雷達成果豐碩
來源：中國科普網(wǎng) 時間：01-27 作者：楊國韜 劉正寬 杜麗芳
中高層大氣金屬層是連接低層大氣與外層空間的關(guān)鍵區(qū)域，其成分演化與動力學(xué)過程，直接反映了大氣圈層耦合及空間環(huán)境變化規(guī)律。當前，國際上對大氣金屬層的探測普遍存在局限——激光雷達雖為該領(lǐng)域主流探測手段，但多數(shù)設(shè)備僅能獲取單一金屬成分信息，難以支撐對復(fù)雜大氣過程的深度解析，制約了相關(guān)研究的突破。
我國科研團隊早在2016年便率先提出創(chuàng)新方案：在單臺激光雷達系統(tǒng)上實現(xiàn)鈉原子層與鉀原子層的同步監(jiān)測?；阝c、鉀原子的特性差異，結(jié)合二者同步演化數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果，可更精準地提取大氣波動參數(shù)、確定化學(xué)反應(yīng)系數(shù)，進而深入破解金屬層起源、金屬層突發(fā)機制及熱層金屬層形成等中高層大氣光化學(xué)與動力學(xué)關(guān)鍵問題。這一技術(shù)路徑為相關(guān)領(lǐng)域研究提供了更全面的觀測支撐，兼具重要學(xué)術(shù)價值與廣闊應(yīng)用前景。
在中科院海外拓展工程專項、中國科技部國際合作重點項目的共同支持下，中國-巴西空間天氣聯(lián)合實驗室成功在巴西部署南美地區(qū)首臺鈉鉀雙金屬層同步探測激光雷達。這一合作成果不僅填補了區(qū)域探測空白，更成為中巴科技合作的標志性成果之一。
鉀原子密度較鈉原子低兩個數(shù)量級，對其探測的技術(shù)門檻更高，目前僅歐洲、美國、中國等少數(shù)地區(qū)具備相關(guān)探測能力。中巴鈉鉀雙金屬層同步探測激光雷達的建成，不僅填補了南美上空鉀原子層觀測與研究的空白，更憑借區(qū)域?qū)贁?shù)據(jù)，為揭示南美獨特空間環(huán)境特性提供了核心支撐，推動全球中高層大氣觀測網(wǎng)絡(luò)進一步完善。
該激光雷達的核心競爭力源于兩項自主研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，突破了國際傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸。
第一項是兩次倍頻余光復(fù)用技術(shù)。國際主流金屬成分探測激光雷達，通常采用YAG激光器輸出的1064nm激光進行一次倍頻，生成532nm激光以泵浦染料激光器，進而獲得探測所需特定波長激光。但一次倍頻后，仍有大量1064nm激光被閑置廢棄。我國團隊創(chuàng)新性地將剩余1064nm激光分離后進行二次倍頻，再次生成一束532nm激光，實現(xiàn)了激光能量的高效復(fù)用。這一技術(shù)不僅大幅提升了激光器能量利用率，在低成本前提下實現(xiàn)雙束532nm激光同步輸出，還可通過調(diào)節(jié)入射激光與倍頻器的匹配角，靈活調(diào)節(jié)兩束激光的能量配比，相較于傳統(tǒng)分束片固定能量比的方案，適配性與靈活性顯著提升。
第二項是雙波長可調(diào)激光同時發(fā)射技術(shù)。傳統(tǒng)激光雷達多采用“單臺YAG固體激光器泵浦單臺染料激光器”的模式，僅能實現(xiàn)單一金屬原子或離子的探測。中巴鈉鉀雙金屬層同步探測激光雷達依托兩次倍頻余光復(fù)用技術(shù)，通過單臺YAG激光器同時泵浦兩臺染料激光器，可同步輸出兩種特定波長激光，實現(xiàn)鈉、鉀原子層的同步探測。同時，充分挖掘染料激光器特性，通過更換染料、調(diào)節(jié)光柵、增設(shè)倍頻器等方式，使雙束激光波長可在紫外-可見-紅外波段靈活可調(diào)，拓展至鈣、鈣離子、鐵等多種金屬原子及離子的探測，且能任意選擇兩種成分實現(xiàn)同步觀測，極大提升了設(shè)備的多功能性與研究適用性。
此外，團隊借鑒衛(wèi)星載荷精密設(shè)計理念，對激光雷達系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進行集成優(yōu)化，尤其對激光器、光電管、濾光片等核心器件進行最優(yōu)選型與性能調(diào)試，既保障了系統(tǒng)長期運行的穩(wěn)定性，又顯著提升了信號質(zhì)量。與國際領(lǐng)先的德國大氣物理研究所鉀激光雷達（單輪探測光子數(shù)357個）相比，中巴鈉鉀雙金屬層同步探測激光雷達的單輪光子探測數(shù)量可達450個，探測靈敏度與精度躋身世界領(lǐng)先水平。
作為中巴科技合作的典范，該激光雷達自2016年底建成以來持續(xù)穩(wěn)定運行，累計獲取高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)9.19GB，為雙方聯(lián)合研究提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐。依托這些數(shù)據(jù)，中巴科研團隊開展多維度協(xié)同攻關(guān)，在南美地區(qū)金屬層特性解析、中高層大氣動力學(xué)過程揭示、湯加火山全球環(huán)境影響評估、地磁暴對空間環(huán)境作用機制等前沿領(lǐng)域取得一系列突破性成果，相關(guān)研究已在空間物理領(lǐng)域國際權(quán)威期刊發(fā)表十余篇SCI論文，形成了“設(shè)備共建、數(shù)據(jù)共享、成果共出”的深度合作模式，既推動了中高層大氣探測技術(shù)的國際交流，也為全球空間環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)補充了關(guān)鍵區(qū)域節(jié)點。
在中巴鈉鉀雙金屬層同步探測激光雷達的合作基礎(chǔ)上，我國團隊進一步拓展技術(shù)邊界，研發(fā)出金屬原子離子多普勒激光雷達。該設(shè)備以金屬原子離子為示蹤劑，通過探測其熒光譜線的展寬與頻移，可精準反演高層大氣中性及電離成分的溫度與速度參數(shù)，為電離層研究提供了全新觀測手段。
在國家自然科學(xué)基金委重大儀器專項支持下，團隊率先采用固體OPO激光器作為探測光源，大幅提升了系統(tǒng)探測靈敏度，首次發(fā)現(xiàn)高度達300公里的金屬鈣離子層，這一突破性發(fā)現(xiàn)引發(fā)國內(nèi)外同行高度關(guān)注?；谠摷す饫走_數(shù)據(jù)，科研人員在金屬離子對磁暴的響應(yīng)、等離子泡結(jié)構(gòu)解析等方向發(fā)表多篇高水平論文，充分彰顯了激光雷達在電離層不均勻體及E-F區(qū)動力學(xué)研究中的獨特優(yōu)勢。目前，全球?qū)饘匐x子的探測仍較為稀缺，尤其在F區(qū)金屬離子主要源區(qū)——低緯地區(qū)，觀測數(shù)據(jù)極度匱乏，導(dǎo)致F區(qū)金屬離子的形成演化、輸運過程及E-F區(qū)耦合機制等核心問題尚未明確，模型模擬也缺乏充足的實測數(shù)據(jù)支撐，研究仍處于初步階段。
未來，中巴雙方將深化合作，在巴西低緯地區(qū)圣若澤站部署金屬原子離子多普勒激光雷達，聚焦南大西洋異常區(qū)這一特殊區(qū)域，揭示電離層精細運動特征及Es與擴展F結(jié)構(gòu)的生成機制。同時，團隊將構(gòu)建中緯度F區(qū)金屬離子多尺度輸運模型，逐步形成涵蓋“局地擾動-區(qū)域耦合-全球輸運”的E-F區(qū)金屬離子層系統(tǒng)理論框架，為空間天氣預(yù)報提供全新的物理機制支撐。
這一合作不僅將推動低緯地區(qū)F區(qū)金屬離子探測的國際化發(fā)展，引領(lǐng)激光雷達在電離層研究領(lǐng)域的新方向，更以中巴合作為范本，為我國空間環(huán)境探測設(shè)備“走出去”積累了寶貴經(jīng)驗，將有力促進國際空間天氣子午圈大科學(xué)計劃的推進，為全球空間環(huán)境研究與災(zāi)害預(yù)警體系建設(shè)貢獻中巴力量。
（作者單位：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心）