據中國激光雜志社網，于2025年11月02日報道，作為大氣污染主動遙感監測的核心裝備，差分吸收激光雷達憑借其高空間分辨率、廣域探測能力及實時響應特性，已成為環境監測領域的重要技術手段。其中，發射光源系統作為激光雷達的核心組件，近年來在長期穩定性和復雜環境適應性等方面取得了突破性進展。
張天舒研究員團隊基于內腔式拉曼激光技術，創新設計了一款專用于臭氧雷達的緊湊型全固態免調諧四波長激光光源。該激光器通過優化諧振腔結構和拉曼介質配置，實現了紫外-可見波段的多波長同步輸出，并完成了關鍵技術攻關及驗證實驗研究。相關成果發表在《光學學報》“大氣光學探測理論、技術與儀器”專題，并被選為亮點文章。
01 研究背景
為推進大氣臭氧多平臺協同監測與PM2.5-臭氧協同控制，亟需發展高穩定可靠的臭氧濃度時空分布探測新型光源技術。當前，車載大氣激光雷達雖被廣泛應用，但受限于光源穩定性不足及時空分辨率偏低等技術瓶頸，系統仍難以實現動態連續觀測。
基于此，研究團隊于2020年突破了固體拉曼激光技術，成功研制出移動車載走航式臭氧激光雷達系統[1]。為進一步提升系統環境適應性與長期運行可靠性，團隊近期聚焦于內腔固體拉曼激光技術，創新性地開發出全固態免調諧多波長臭氧激光雷達激光光源。該技術通過優化諧振腔結構與拉曼介質配置，實現了紫外波段激光的穩定輸出，為臭氧差分吸收激光雷達提供了高穩定性的發射光源。
02 大氣臭氧激光雷達新型光源研究
研究團隊創新性地提出了一種基于內腔式拉曼激光技術的臭氧差分吸收激光雷達光源方案。該方案采用嵌套激光諧振腔構型，通過二極管端面泵浦增益介質，并在腔內集成固體拉曼介質，利用光學非線性效應實現紫外激光的高效輸出。基于兩種拉曼介質具有差異化的拉曼頻移特性，系統能夠穩定產生滿足臭氧差分吸收激光雷達發射所需的雙紫外波長激光。其技術架構與實現路徑如圖1所示。
為滿足雷達系統對環境適應性的嚴苛要求，研究團隊通過嚴格工程化設計，成功研制出四波長激光器樣機，如圖2所示。該激光器系統采用高效風冷散熱方案，確保其在復雜環境下的穩定運行。激光器輸出光束涵蓋紫外與可見光波段，各波長經過精密擴束系統處理，實現兩兩并行輸出，為雷達探測提供多光譜支持。
研究團隊基于內腔式拉曼激光光源，搭建了室內型地基臭氧激光雷達系統，并開展了大氣臭氧垂直分布探測的對比驗證實驗，如圖3所示。驗證結果表明，激光雷達探測數據與標準設備的測量結果一致性優于0.92，充分驗證了內腔式拉曼激光器在系統穩定性和探測有效性方面的優異性能，為大氣臭氧監測提供了可靠的技術支撐。
研究團隊采用防水密封合理化設計的恒溫方艙搭載雷達核心機，實現了在1小時內完成指定地點地基探測系統的額快速部署。該戶外型臭氧激光雷達系統在陜西省咸陽市開展的地基探測實驗中，成功獲取了氣溶膠消光系數與臭氧濃度的垂直廓線，如圖4所示。實驗結果有效揭示了邊界層內臭氧與氣溶膠的垂直分布系統變化特征。該成果驗證了激光雷達系統在野外環境下的環境適應性與數據可靠性，為區域大氣污染立體監測提供了堅實的技術支撐。
研究團隊成功將基于內腔式拉曼技術的臭氧差分吸收激光雷達系統集成于車載移動平臺（如圖5所示），實現了對指定區域沿規劃路線的高時空分辨率走航監測。該系統可獲取臭氧濃度垂直剖面，為研究區域尺度臭氧污染的動態變化提供技術支撐。相較于傳統地基雷達，車載平臺顯著提升了監測機動性，能夠有效覆蓋布點困難的區域（如復雜地形或城市密集區），實現氣溶膠與臭氧濃度的協同探測。
在南京市車載走航監測實驗中，團隊通過該激光雷達系統精準識別了走航路徑上的臭氧濃度異常熱點，如圖6所示。該成果為臭氧污染溯源與區域傳輸路徑分析提供了高精度的數據支持，驗證了移動平臺在大氣環境監測中的實用價值。
基于內腔式拉曼激光技術的臭氧激光雷達系統已在多個城市實現規模化部署和應用。在杭州亞運會期間，該系統為火種采集儀式及賽事空氣質量保障提供了技術支持。搭載臭氧激光雷達的走航監測車通過多成分協同探測（如NO2、SO2等），實現了測管一體化，可以在第一時間追蹤并分析污染源，為環境執法與污染溯源提供數據支撐。針對粵港澳大灣區臭氧污染的空間異質性，研究團隊在香港、澳門以及廣州布設了梯度觀測網絡，通過垂直遙感監測揭示了臭氧日變化規律與區域傳輸特征。在陜西咸陽、榆林等城市，由臭氧激光雷達與顆粒物激光雷達組成的立體監測網可識別污染高值區，量化評估治理措施的效果。
03 后續工作展望
基于?內腔式固體拉曼激光技術的激光雷達，將持續服務于大氣環境監測、政策效果評估等場景。未來，通過?多源數據融合?（衛星遙感與氣象模型）、?性能優化?（功率提升）及?模塊化設計?（適應更嚴苛環境），構建“?地面-空基?”立體監測網絡，實現平流層臭氧的長期監測。該技術將顯著提升區域臭氧預測精度，并為氣候模型提供高時空分辨率數據，同時支持極地科考與熱帶城市監測等多樣化應用場景。該系統還有望在?環境科學與?工業安全領域實現規模化應用。
參考文獻：
[1] Pan Liu, Tianshu Zhang, Xinhui Sun, Guangqiang Fan, Yan Xiang, Yibin Fu, and Yunsheng Dong, "Compact and movable ozone differential absorption lidar system based on an all-solid-state, tuning-free laser source," Optics Express 28, 13786-13800 (2020)
作者簡介
通訊作者
張天舒，中國科學院合肥物質科學院安徽光學精密機械研究所研究員。主要從事激光大氣探測研究工作。主持國家及省部級項目20余項，在國際主流期刊發表論文40余篇。獲國家科技進步二等獎及省部級科技進步一等獎各1項。
第一作者
劉盼，中國科學院合肥物質科學院安徽光學精密機械研究所助理研究員。在張天舒研究員團隊從事固體單頻激光技術、非線性頻率轉換技術等研究工作。現主持國家及省部級項目2項，在光學主流期刊發表論文近20篇。
團隊簡介
中國科學院合肥物質科學研究院安光所環光中心激光雷達團隊聚焦大氣環境監測領域的重大需求開展工作，已研發多種高性能高可靠性光源和多型號大氣激光雷達并實現產業化，持續開展激光技術與雷達裝備的研發與應用。
