从实验台到车载环境哨兵：拉曼激光光源技术让臭氧监测“移动化”

01 研究背景

      为推进大气臭氧多平台协同监测与PM2.5-臭氧协同控制，亟需发展高稳定可靠的臭氧浓度时空分布探测新型光源技术。当前，车载大气激光雷达虽被广泛应用，但受限于光源稳定性不足及时空分辨率偏低等技术瓶颈，系统仍难以实现动态连续观测。

      基于此，研究团队于2020年突破了固体拉曼激光技术，成功研制出移动车载走航式臭氧激光雷达系统[1]。为进一步提升系统环境适应性与长期运行可靠性，团队近期聚焦于内腔固体拉曼激光技术，创新性地开发出全固态免调谐多波长臭氧激光雷达激光光源。该技术通过优化谐振腔结构与拉曼介质配置，实现了紫外波段激光的稳定输出，为臭氧差分吸收激光雷达提供了高稳定性的发射光源。

02 大气臭氧激光雷达新型光源研究

      研究团队创新性地提出了一种基于内腔式拉曼激光技术的臭氧差分吸收激光雷达光源方案。该方案采用嵌套激光谐振腔构型，通过二极管端面泵浦增益介质，并在腔内集成固体拉曼介质，利用光学非线性效应实现紫外激光的高效输出。基于两种拉曼介质具有差异化的拉曼频移特性，系统能够稳定产生满足臭氧差分吸收激光雷达发射所需的双紫外波长激光。其技术架构与实现路径如图1所示。

图1 内腔式拉曼激光器系统技术结构及实现路径示意图

      为满足雷达系统对环境适应性的严苛要求，研究团队通过严格工程化设计，成功研制出四波长激光器样机，如图2所示。该激光器系统采用高效风冷散热方案，确保其在复杂环境下的稳定运行。激光器输出光束涵盖紫外与可见光波段，各波长经过精密扩束系统处理，实现两两并行输出，为雷达探测提供多光谱支持。

图2 四波长激光器实物图

      研究团队基于内腔式拉曼激光光源，搭建了室内型地基臭氧激光雷达系统，并开展了大气臭氧垂直分布探测的对比验证实验，如图3所示。验证结果表明，激光雷达探测数据与标准设备的测量结果一致性优于0.92，充分验证了内腔式拉曼激光器在系统稳定性和探测有效性方面的优异性能，为大气臭氧监测提供了可靠的技术支撑。

图3 室内型地基臭氧激光雷达；激光雷达与标准设备的探测结果对比图

      研究团队采用防水密封合理化设计的恒温方舱搭载雷达核心机，实现了在1小时内完成指定地点地基探测系统的额快速部署。该户外型臭氧激光雷达系统在陕西省咸阳市开展的地基探测实验中，成功获取了气溶胶消光系数与臭氧浓度的垂直廓线，如图4所示。实验结果有效揭示了边界层内臭氧与气溶胶的垂直分布系统变化特征。该成果验证了激光雷达系统在野外环境下的环境适应性与数据可靠性，为区域大气污染立体监测提供了坚实的技术支撑。

图4 户外型地基臭氧激光雷达及探测实验结果图

      研究团队成功将基于内腔式拉曼技术的臭氧差分吸收激光雷达系统集成于车载移动平台（如图5所示），实现了对指定区域沿规划路线的高时空分辨率走航监测。该系统可获取臭氧浓度垂直剖面，为研究区域尺度臭氧污染的动态变化提供技术支撑。相较于传统地基雷达，车载平台显著提升了监测机动性，能够有效覆盖布点困难的区域（如复杂地形或城市密集区），实现气溶胶与臭氧浓度的协同探测。

图5 车载型臭氧激光雷达系统图

      在南京市车载走航监测实验中，团队通过该激光雷达系统精准识别了走航路径上的臭氧浓度异常热点，如图6所示。该成果为臭氧污染溯源与区域传输路径分析提供了高精度的数据支持，验证了移动平台在大气环境监测中的实用价值。

图6 车载走航激光雷达系统实验结果图

      基于内腔式拉曼激光​技术的臭氧激光雷达系统已在多个城市实现规模化部署和应用。在杭州亚运会期间，该系统为火种采集仪式及赛事空气质量保障提供了技术支持。搭载臭氧激光雷达的走航监测车通过多成分协同探测（如NO2、SO2等），实现了测管一体化，可以在第一时间追踪并分析污染源，为环境执法与污染溯源提供数据支撑。针对粤港澳大湾区臭氧污染的空间异质性，研究团队在香港、澳门以及广州布设了梯度观测网络，通过垂直遥感监测揭示了臭氧日变化规律与区域传输特征。在陕西咸阳、榆林等城市，由臭氧激光雷达与颗粒物激光雷达组成的立体监测网可识别污染高值区，量化评估治理措施的效果。

图7 基于内腔式拉曼激光技术臭氧雷达应用

03 后续工作展望

      基于‌内腔式固体拉曼激光技术的激光雷达，将持续服务于大气环境监测、政策效果评估等场景。未来，通过‌多源数据融合‌（卫星遥感与气象模型）、‌性能优化‌（功率提升）及‌模块化设计‌（适应更严苛环境），构建“‌地面-空基‌”立体监测网络，实现平流层臭氧的长期监测。该技术将显著提升区域臭氧预测精度，并为气候模型提供高时空分辨率数据，同时支持极地科考与热带城市监测等多样化应用场景。该系统还有望在‌环境科学与‌工业安全领域实现规模化应用。

参考文献： 中国光学期刊网

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