中国科大成功研制单光子频率上转换量子测风激光雷达

激光雷达应用的首要前提是人眼安全。2007年，美国国家大气研究中心报道了工作波长1.55微米的人眼安全的气溶胶激光雷达。该近红外波长的单个光子的能量仅为1.28×10-19焦耳，而量子测风激光雷达需要探测单个光子6.67×10-10的相对多普勒频移，才能实现0.1米/秒精度的径向风速测量。传统观点认为，只能提高激光雷达的出射功率和增大望远镜的面积，才能提高激光雷达探测信噪比。由于上述激光雷达量子效率低、噪声高，其发射激光脉冲能量达0.125焦耳，望远镜直径0.4米，导致结构复杂、重达数吨、功耗大。由于光学破坏阈值限制和大口径望远镜加工工艺限制，传统激光雷达的性能已经达到顶峰。

2015年4月，中国科大首次实现了单光子频率上转换的气溶胶激光雷达[Optics Letters, 40, 1579 (2015)]。利用自主研制的周期极化铌酸锂波导，将雷达接收的1.55微米单光子与2微米的连续泵浦光发生和频，用硅探测器对产生的0.863微米的光子进行探测。此时，量子效率可达55%，暗噪声仅16个/秒。与目前采用的铟镓砷探测器直接探测1.55微米光子相比（量子效率10%，暗噪声5000个/秒），提高了探测效率，降低了系统噪声。该方法立刻引起德国宇航局、丹麦科技大学、白俄罗斯国立大学等同行的关注，于2016年3月采用相同技术实现大气二氧化碳的探测。

2016年8月，中国科大采用全光纤保偏鉴频器对单光子的频移进行了测量，利用微弱光源（激光脉冲能量5×10-5焦耳）、小口径望远镜（直径0.08米）在国际上首次实现了大气边界层风场的探测[Optics Express, 24, 19322 (2016)]。2016年11月，利用时分复用技术，中国科大报道了当前集成度最高的量子测风激光雷达，不仅简化了系统结构，还提高了系统稳定性和可靠性，并免于周期性校准[Optics Letters, 41, 5218 (2016)]。

通过提高量子效率（光电转化效率）和光学集成度（系统光学效率），综合抑制探测噪声，实现了昼夜连续观测的、轻小防振、低功耗、常温环境下运行的全光纤保偏结构的激光雷达系统，适合在机载、舰载、星载等平台的恶劣环境下运行。该技术为小型星载激光雷达提供了新思路，为普及高性价比、高稳定性、超小型化的激光雷达奠定了基础。