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新型差分吸收激光雷達（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流層頂部之間跨越了超過4個數量級。特別是在平流層底部和對流層的水汽對地球的輻射收支有顯著和長期的影響。

美國國家航空航天局蘭利研究中心（NASA Langley Research Center）一直致力于機載水汽差分吸收激光雷達（DIAL）的研究長達30年，該種激光雷達用于大氣化學、高強度天氣變化和氣候過程的研究，其目標是實現水汽差分吸收雷達（DIAL）系統在太空中對地球天氣和氣候的觀測應用。目前NASA正在與美國國家大氣研究中心（NCAR）和蒙大拿州立大學開展合作，其研究人員正在實施一項覆蓋全美國范圍的水汽監測分析網絡系統，用于提高天氣預測的準確性和氣候模擬方面的研究。全自動、人眼**并且具有低成本和小體積的地面水汽差分吸收雷達（DIAL）系統將應用在該水汽監測分析網絡中。NASA認識到無論是機載差分吸收雷達、空間差分吸收雷達還是地面差分吸收雷達，它們都需要使用具有特定輸出波長的激光器，這種激光器要求具有頻率快速調諧能力，能夠迅速鎖定到水汽的吸收譜線，并且具有窄線寬、堅固耐用等特點。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公司獲得了初級階段和隨后階段的NASA Small Business Innovation Research（SBIR）經費資助，這兩筆經費主要用于提升DBR激光芯片內部一體化光柵的結構和單次外延生長制造工藝技術。

探測水汽的差分吸收激光雷達（DIAL）設備需要使用兩個間隔緊密的激光波長，其中一個波長要準確地調諧到水汽的吸收線上；另一個波長設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諧到水汽吸收線對應的波長上，DBR激光器輸出的高光譜純度與差分吸收激光雷達（DIAL）內部的高精度標準具共同作用下，可以有效地減少背景輻射，提高DIAL系統在白天和多云條件下的性能表現。

為了滿足在9kHz重復頻率下輸出5uJ的脈沖能量，作為種子源應用的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體放大器后就可以實現高能量的脈沖輸出。利用這種結構輸出的激光具有頻率快速可調諧、波長精度高、光譜純度好和高脈沖能量等特點，可以提高信噪比，保證回波信號間的差異只與水汽分子吸收有關。此外，激光要經過擴束后再輸出到空間中，因此這種擴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，必須要挑選具有高吸收率和對大氣條件不敏感的吸收線作為探測分析用的譜線。經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（DIAL）的探測譜線，而817nm光譜線被選定為機載和星載差分吸收激光雷達（DIAL）的探測譜線。目前Photodigm已經成功開發出828.1nm DBR激光器，并將很快推出817nm DBR激光器產品。

目前的差分吸收激光雷達（DIAL）系統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散性，因此需要進行光學調整，光束整形過程中需要使用許多鏡片，會占用比較大的空間，并且鏡片容易受到污染。針對于這些問題，Photodigm公司正在設計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。

    NASA研制的Differential-absorption Lidar

【Photodigm公司DBR激光器應用于差分吸收激光雷達（DIAL）LIDAR，用于水汽探測（2016.9）】【Photodigm公司DBR激光器應用于差分吸收激光雷達（DIAL）LIDAR，用于水汽探測（2016.9）】【Photodigm公司DBR激光器應用于差分吸收激光雷達（DIAL）LIDAR，用于水汽探測（2016.9）】【Photodigm公司DBR激光器應用于差分吸收激光雷達（DIAL）LIDAR，用于水汽探測（2016.9）】【Photodigm公司DBR激光器應用于差分吸收激光雷達（DIAL）LIDAR，用于水汽探測（2016.9）】