镍原子层的探测及双光束可调激光雷达的应用

镍原子由于密度低、散射截面小，信号比钠信号要低近4个量级，所以镍原子的探测是当今大气金属层的探测难题。目前仅有德国Rostock大学成功观测到镍原子层（我们的探测结果证实：此前美国Collins教授的镍原子探测结果是不可靠的）。采用我们提出的双光束可调激光雷达方案，我们于2019年4月成功地实现了镍原子层的探测。并证实了当今大气金属层模型的正确性，解决了国际上有争议的镍原子层密度是否很低的科学问题。该研究已投稿JQSRT。

图1：镍原子激光雷达系统框图

上图是用于探测镍原子、钠原子的双光束可调激光雷达的结构图：YAG激光器的1064nm基频光分别依次经过两个倍频装置，产生两束532nm激光，分别泵浦两台染料激光器，产生一束589nm激光（用于探测镍原子）和一束682nm激光（再经过一个倍频器产生镍原子探测所需的341nm）。由于可以通过更换染料、调节第一倍频装置的角度，再增加倍频器等方法，使得两束发射激光在紫外-可见-红外范围任意可调、两束光的能量比可以自由调节。利用该方案，我们在巴西建设了双波长钠钾激光雷达和在延庆建设了双波长钙原子离子激光雷达（AO，2020）、双波长钠镍激光雷达。

图2：镍原子原始回波信号（33s/96m）

上图是在通常采样率下（33s/96m）获得的镍原子原始回波信号。从图可以看出：镍原子的峰值回波信号约相当于65km瑞利信号。

 如果降低时空分辨率，会得到更好信噪比的信号，如下图a所示。将图a的信号进行分析反演，就可以得到对应的镍原子层密度（如图b所示）。从图中可以看出：镍原子层数密度一般在数百（个/cm3）左右，峰值高度一般在90km以下。

图3：镍原子原始回波信号1小时累计结果（a）和对应的反演后的镍原子密度（b）

下图是镍原子密度演化的示例。从图中可以看出：镍原子密度在下半夜有明显增加，峰值高度下移到了80km以下，而密度增加到了600个/cm3

图4：镍原子密度的夜间演化

将所有信号较好、观测时间较长的镍原子数据，进行反演后并计算出该观测夜的天密度平均密度。下图是所有25个观测夜的天平均后的镍原子峰值密度的分布。从图中可以看出，镍原子峰值密度变化范围在100~500cm-3 ，平均值在250 cm-3左右。

图5：镍原子层天平均后的峰值密度分布

国际上首次镍原子探测是由美国Collins教授团队进行的。但是他们探测到的镍原子峰值密度高达1万多 cm-3。该结果远远大于流星物质里镍原子比例，进而对大气金属层模型提出了挑战。后来有德国Rostock大学也进行数次镍原子层探测，峰值密度在280~450 cm-3。基于长时间多次数据的探测，我们的探测结果证实，镍原子峰值密度一般在数百cm-3左右。该结果与德国人的结果相互，证实了当今大气金属层模型的正确性，解决了国际上有争议的镍原子层密度是否很低的科学问题。