实验室窦贤康课题组夏海云与潘建伟课题组张强经过三年的合作，在国际上首次研制了单光子频率上转换量子测风激光雷达，实现了大气边界层气溶胶和风场的昼夜连续观测。在国际著名光学期刊《光学学报》[Optics Letters]和《光学快报》[Optics Express]上发表了一系列重要成果。

  通讯作者窦贤康表示：精确的大气风场探测对数值天气预报、气候模型改进、军事环境预报、生化气体监控、机场风切变预警等方面具有重大意义。多普勒测风激光雷达被公认为全球大气风场遥感的最佳方法，也是世界气象组织列出的最具挑战性的激光雷达之一。我们通过探测大气气溶胶和风场，不仅能监测大气污染状态、实时发现大气污染源，还能对雾霾的形成和演化进行预报。

  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、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。

图1：模块化设计的量子测风激光雷达

图：48小时连续探测结果：a）风速时空分布；b)风向分布；c)大气水平能见度及温度和相对湿度[Optics Letters, 41, 5218, 2016]