Photodigm公司DBR激光器应用于差分吸收激光雷达（DIAL）LIDAR，用于水汽探测（2016.9）

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新型差分吸收激光雷达（Differential absorption Lidar）与高功率、窄线宽DBR激光器

水汽在许多大气过程中发挥着重要作用，是天气的主要影响因素。大气中的水汽浓度从行星边界层至较低的平流层底部和对流层顶部之间跨越了超过4个数量级。特别是在平流层底部和对流层的水汽对地球的辐射收支有显著和长期的影响。

美国国家航空航天局兰利研究中心（NASA Langley Research Center）一直致力于机载水汽差分吸收激光雷达（DIAL）的研究长达30年，该种激光雷达用于大气化学、高强度天气变化和气候过程的研究，其目标是实现水汽差分吸收雷达（DIAL）系统在太空中对地球天气和气候的观测应用。目前NASA正在与美国国家大气研究中心（NCAR）和蒙大拿州立大学开展合作，其研究人员正在实施一项覆盖全美国范围的水汽监测分析网络系统，用于提高天气预测的准确性和气候模拟方面的研究。全自动、人眼**并且具有低成本和小体积的地面水汽差分吸收雷达（DIAL）系统将应用在该水汽监测分析网络中。NASA认识到无论是机载差分吸收雷达、空间差分吸收雷达还是地面差分吸收雷达，它们都需要使用具有特定输出波长的激光器，这种激光器要求具有频率快速调谐能力，能够迅速锁定到水汽的吸收谱线，并且具有窄线宽、坚固耐用等特点。找到这样的激光器后就可以通过种子注入放大原理获得大能量的脉冲激光输出。

基于DBR激光芯片的种子注入激光器

为了满足NASA的要求，Photodigm公司获得了初级阶段和随后阶段的NASA Small Business Innovation Research（SBIR）经费资助，这两笔经费主要用于提升DBR激光芯片内部一体化光栅的结构和单次外延生长制造工艺技术。

探测水汽的差分吸收激光雷达（DIAL）设备需要使用两个间隔紧密的激光波长，其中一个波长要准确地调谐到水汽的吸收线上；另一个波长设置在距离水汽吸收线0.1nm以外。激光线宽小于1MHz的DBR激光器能够快速地调谐到水汽吸收线对应的波长上，DBR激光器输出的高光谱纯度与差分吸收激光雷达（DIAL）内部的高精度标准具共同作用下，可以有效地减少背景辐射，提高DIAL系统在白天和多云条件下的性能表现。

为了满足在9kHz重复频率下输出5uJ的脉冲能量，作为种子源应用的DBR激光器需要选择50-100mW的输出功率，然后将该种子激光注入到锥形半导体放大器后就可以实现高能量的脉冲输出。利用这种结构输出的激光具有频率快速可调谐、波长精度高、光谱纯度好和高脉冲能量等特点，可以提高信噪比，保证回波信号间的差异只与水汽分子吸收有关。此外，激光要经过扩束后再输出到空间中，因此这种扩束后的激光可以确保人眼**不受损害。

由于水汽在700nm-950nm之间具有很多条吸收线，因此在选择吸收线时，必须要挑选具有高吸收率和对大气条件不敏感的吸收线作为探测分析用的谱线。经过科研人员的分析后，NASA选定828.1nm光谱线作为地面差分吸收激光雷达（DIAL）的探测谱线，而817nm光谱线被选定为机载和星载差分吸收激光雷达（DIAL）的探测谱线。目前Photodigm已经成功开发出828.1nm DBR激光器，并将很快推出817nm DBR激光器产品。

目前的差分吸收激光雷达（DIAL）系统中使用的是自由空间光输出DBR激光器，由于输出的激光具有发散性，因此需要进行光学调整，光束整形过程中需要使用许多镜片，会占用比较大的空间，并且镜片容易受到污染。针对于这些问题，Photodigm公司正在设计新的激光器封装形式，在新的激光器中将集成光隔离器，并且采用光纤耦合输出以避免以上问题。

    NASA研制的Differential-absorption Lidar

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