微片激光器，开辟气象雷达探测的新天地
激光雷达的气象应用
激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较。
作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对相应的目标进行探测、跟踪和识别。
激光雷达由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成。激光器将光脉冲发射出去，通过转台将激光打向不同的方向，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电信号，送到信息处理系统。
激光气象雷达是利用激光探测大气的设备，其利用激光与大气成分的相互作用来进行探测，其结构示意图如图1 。激光气象雷达可监测大气气溶胶种类及浓度、痕量气体（臭氧、二氧化碳等）浓度、大气温度、大气湿度、风速、风向等参数，目前主要服务于气象及环保两个领域。
气象应用即为气象部门提供数据信息用于天气情况分析、天气预报、自然灾害预报等应用；环保应用即为环保部分提供数据用于分析污染物成分、来源等，用于环境治理。
1.1 米散射激光雷达
米散射雷达主要利用大气中气溶胶粒子的米散射数据（如图2），结合雷达方程分析气溶胶粒子的详细情况，用于PM2.5、PM10、颗粒物种类等测量。同时，利用激光器本身的偏振特性（偏振激光雷达），还可用于分析气溶胶粒子的形状、大小等参数。
市面上米散射雷达中配套的激光器大多数已经实现国产化，波长主要是532 nm，少量用户采用1064 nm激光器，能量从20 μJ到1 mJ不等。探测相同气溶胶参数的米散射雷达，不同厂家采用了不同的波长，即使相同的波长，也出现了采用不同能量激光器的现象，这种差异的主要原因是厂家采用了不同的探测器方案。
常用的硅探测器对1064 nm波长的量子效率很低，但对532 nm的量子效率很好，技术也很成熟。但是1064 nm对大气的穿透性很好，在远距离探测时具有明显优势，所以针对1064 nm的红外增强型探测器也逐渐出现。
同时，采用单光子探测器的雷达仅需要20 μJ左右的能量（微脉冲雷达），而采用模拟探测器的雷达则需要激光器能量到达1 mJ水平。采用何种探测器方案也受限于最终用户对设备的理解，目前两种方案在市场上都取得了良好的应用，技术也很成熟。
1.2 拉曼激光雷达
拉曼激光雷达主要利用大气中特殊成分的拉曼效应（非弹性散射）来分析大气的温度、湿度、物质成分等物理量。多采用波长为532 nm、355 nm灯泵激光器，能量需要几十甚至几百毫焦。此类型激光器目前多为进口，国产设备在稳定性上还有所欠缺。典型的拉曼信号如图3所以，峰频移对应物质成分，峰强度对应物质含量。
1.3 差分吸收激光雷达
差分吸收激光雷达采用差分吸收原理，发射、接收多波长紫外（多为266 nm、289 nm、299 nm和316 nm等），分析大气中污染气体含量，多用于近地面臭氧监测以及氮氧化物测量。
激光器多采用波长为266 nm灯泵激光器，激光能量需达到60 mJ到100 mJ级别，使用时需要将266 nm激光先通过拉曼池或拉曼晶体，产生频移激光，利用频移激光来进行探测。此类拉曼激光雷达中使用的激光器，多为进口，国产设备在稳定性上还有所欠缺。如图4为典型的差分吸收激光雷达结构图。
1.4 激光测风雷达
激光测风雷达主要利用激光的多普勒效应（如图5），测量出大气中气溶胶粒子后向散射信号的多普勒频移（如图6），可以实现对大气风速的测量。采用的激光器多为1550 nm的单频光纤激光器，该类型激光器国内多所科研院所及公司均已实现批量生产。
在实际气象雷达应用中，最终用户通常会要求实时监测多种气象指标，如同时监测气溶胶颗粒物信息、臭氧含量、温湿度等大气参数。因此，需要建立一个小型恒温空间，将米散射雷达、拉曼雷达、测风雷达等设备安置其中。固定式的气象站多为恒温方舱（如图7），空调制冷，面积约十几㎡；移动式气象站多为移动测量车，将雷达设备放置在一台汽车中，用于移动测量（如图8）。
微片激光器
而在众多激光雷达中，微片激光器是必不可少的关键器件，未来基于微片激光器的气象雷达和环保监测是相对最佳的方案。
微片激光器是以微晶片晶体材料（典型厚度为mm量级）为激光工作物质，并在其端面镀膜直接构成谐振腔，将LD芯片快、慢轴整形后作为泵浦源直接泵浦微片晶体，整体激光器系统体积小巧，结构紧凑。因此，微片激光器也叫微型激光器。
目前微片激光器的生产企业主要包括：国外的Alphalas、CryLaS、Teem Photonics以及国内的北京杏林睿光科技有限公司（Reallight）。国外厂家起步较早，市场接受度高，在国内的科研市场也有比较高的普及度。
微片激光器在气象雷达中主要是应用于米散射雷达（微脉冲雷达），主要参数：波长包括1064 nm、532 nm、355 nm、266 nm，能量从20 μJ（@266 nm）到160 μJ（@1064 nm）不等。由于激光器采用半导体封装技术，所有器件均在高性能TEC表面固定，所以可以适用于米散射严苛的使用环境，目前市面上最好的微片激光器可以实现从-40℃到+80℃均可正常工作。
虽然微片激光器能量偏低（ μJ级别），但是由于其小尺寸及优异的光束质量，可以将其作为种子，采用半导体或者闪光灯的方式对其进行能量放大，进而得到几百 μJ或者百 mJ的能量输出，进而拓展其应用领域。此时在激光雷达领域可应用于无人机挂载海岸线测绘雷达、拉曼测温雷达、差分吸收臭氧（痕量气体）雷达等。
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总结
微片激光器以其体积小巧、性能稳定、成本低廉等优势，已经在云高仪、气溶胶监测雷达中实现批量应用。同时，利用半导体或闪光灯的方式，对微片激光器进行能量放大，可拓展其应用领域到拉曼雷达、臭氧雷达等更大市场。因此，微片激光器在气象雷达领域还会有更大的应用空间。
在其他的应用领域，如光声成像方面，已经被科研客户验证效果良好，不久的将来将会进行临床试验，进入实际应用；在远程拉曼测量方面，针对非接触的爆炸物、毒品等测量，已有成熟应用；在测距方面，已经大量应用于国防建设，主要用于陆军中远程手持或便携的人眼安全测距应用，未来几年，还会有海军、空军等更大量的需求；在工业加工方向，亚纳秒的脉冲宽度在部分打标、切割、钻孔方面有特殊的优势，针对亚纳秒的MOPA放大激光器也逐步面向终端加工应用。
微片激光器的弱势在于：首先能量比较低，重频也难以做的很大，一般100 kHz已经几乎是微片激光器的重频极限了，并不适合做大功率、重频要求很高的应用；其次对于国内市场，产品的认知度不如国外普及。不过近两年，随着国产化微片激光器性能的不断提高，以及微片激光器本身优异的稳定性和紧凑的封装尺寸，其应用已越来越广泛。
