中巴共建大气激光雷达成果丰硕

杨国韬 刘正宽 杜丽芳

中高层大气金属层是连接低层大气与外层空间的关键区域，其成分演化与动力学过程，直接反映了大气圈层耦合及空间环境变化规律。当前，国际上对大气金属层的探测普遍存在局限——激光雷达虽为该领域主流探测手段，但多数设备仅能获取单一金属成分信息，难以支撑对复杂大气过程的深度解析，制约了相关研究的突破。

我国科研团队早在2016年便率先提出创新方案：在单台激光雷达系统上实现钠原子层与钾原子层的同步监测。基于钠、钾原子的特性差异，结合二者同步演化数据与模型模拟结果，可更精准地提取大气波动参数、确定化学反应系数，进而深入破解金属层起源、金属层突发机制及热层金属层形成等中高层大气光化学与动力学关键问题。这一技术路径为相关领域研究提供了更全面的观测支撑，兼具重要学术价值与广阔应用前景。

在中科院海外拓展工程专项、中国科技部国际合作重点项目的共同支持下，中国-巴西空间天气联合实验室成功在巴西部署南美地区首台钠钾双金属层同步探测激光雷达。这一合作成果不仅填补了区域探测空白，更成为中巴科技合作的标志性成果之一。

钾原子密度较钠原子低两个数量级，对其探测的技术门槛更高，目前仅欧洲、美国、中国等少数地区具备相关探测能力。中巴钠钾双金属层同步探测激光雷达的建成，不仅填补了南美上空钾原子层观测与研究的空白，更凭借区域专属数据，为揭示南美独特空间环境特性提供了核心支撑，推动全球中高层大气观测网络进一步完善。

该激光雷达的核心竞争力源于两项自主研发关键技术，突破了国际传统技术瓶颈。

第一项是两次倍频余光复用技术。国际主流金属成分探测激光雷达，通常采用YAG激光器输出的1064nm激光进行一次倍频，生成532nm激光以泵浦染料激光器，进而获得探测所需特定波长激光。但一次倍频后，仍有大量1064nm激光被闲置废弃。我国团队创新性地将剩余1064nm激光分离后进行二次倍频，再次生成一束532nm激光，实现了激光能量的高效复用。这一技术不仅大幅提升了激光器能量利用率，在低成本前提下实现双束532nm激光同步输出，还可通过调节入射激光与倍频器的匹配角，灵活调节两束激光的能量配比，相较于传统分束片固定能量比的方案，适配性与灵活性显著提升。

第二项是双波长可调激光同时发射技术。传统激光雷达多采用“单台YAG固体激光器泵浦单台染料激光器”的模式，仅能实现单一金属原子或离子的探测。中巴钠钾双金属层同步探测激光雷达依托两次倍频余光复用技术，通过单台YAG激光器同时泵浦两台染料激光器，可同步输出两种特定波长激光，实现钠、钾原子层的同步探测。同时，充分挖掘染料激光器特性，通过更换染料、调节光栅、增设倍频器等方式，使双束激光波长可在紫外-可见-红外波段灵活可调，拓展至钙、钙离子、铁等多种金属原子及离子的探测，且能任意选择两种成分实现同步观测，极大提升了设备的多功能性与研究适用性。

此外，团队借鉴卫星载荷精密设计理念，对激光雷达系统各环节进行集成优化，尤其对激光器、光电管、滤光片等核心器件进行最优选型与性能调试，既保障了系统长期运行的稳定性，又显著提升了信号质量。与国际领先的德国大气物理研究所钾激光雷达（单轮探测光子数357个）相比，中巴钠钾双金属层同步探测激光雷达的单轮光子探测数量可达450个，探测灵敏度与精度跻身世界领先水平。

作为中巴科技合作的典范，该激光雷达自2016年底建成以来持续稳定运行，累计获取高质量观测数据9.19GB，为双方联合研究提供了坚实的数据支撑。依托这些数据，中巴科研团队开展多维度协同攻关，在南美地区金属层特性解析、中高层大气动力学过程揭示、汤加火山全球环境影响评估、地磁暴对空间环境作用机制等前沿领域取得一系列突破性成果，相关研究已在空间物理领域国际权威期刊发表十余篇SCI论文，形成了“设备共建、数据共享、成果共出”的深度合作模式，既推动了中高层大气探测技术的国际交流，也为全球空间环境监测网络补充了关键区域节点。

在中巴钠钾双金属层同步探测激光雷达的合作基础上，我国团队进一步拓展技术边界，研发出金属原子离子多普勒激光雷达。该设备以金属原子离子为示踪剂，通过探测其荧光谱线的展宽与频移，可精准反演高层大气中性及电离成分的温度与速度参数，为电离层研究提供了全新观测手段。