Лаборатория „Лазерна локация” на ИЕ-БАН e основана през 1974 г. Основните задачи, решавани в Лабораторията, са свързани с разработване на научните основи за създаване на методи и системи за лазерно дистанционно изследване на атмосферата чрез измерване на нейните основни оптични и метеорологични характеристики, както и лидарни методи за дистанционен мониторинг на атмосферните замърсявания. След включването на Лабораторията в Европейската лидарна мрежа през 2002 г. и създаването на Лидарната станция на ИЕ-БАН в София (Sofia Lidar Station) стартира провеждането на систематичен дистанционен атмосферен мониторинг с разработени в ИЕ-БАН и сертифицирани в EARLINET лидарни системи – регулярни климатологични измервания; измервания при увеличено съдържание на аерозоли в атмосферата (вследствие на трансграничен пренос на прах от Сахара, вулканичен прах, прахови частици в резултат на горски пожари в България, Европа и САЩ, и др.); измервания, свързани със сравняване на данните на сателитния лидар на спътника “Calipso” с тези на наземните лидари. Резултатите от измерванията, след оценка и анализ, се записват в европейската лидарна база данни.
Колективът от Лаборатория „Лазерна локация” е участвувал в изпълнението на проекти от 5 РП (проект EARLINET), 6 РП (проект EARLINET-ASOS), 7 РП на ЕС (проект ACTRIS), Програма Horizon2020 (проекти ACTRIS2 и ACTRIS PPP) и понастоящем в изпълнението на проект ACTRIS-IMP по програма Horizon2020.
Към момента Софийската лидарна станция разполага с 2 лидарни установки, сертифицирани за измервания в EARLINET: Аерозолен лидар с Nd:YAG лазер (1064 nm, 532 nm) и Аерозолен лидар с лазер на пари на CuBr (510.6 nm, 578.2 nm), представени на Фигури 1а и 1b.
a)b)
Фиг. 1. Лидарни системи с Nd:YAG лазер (а) и с лазер на пари на CuBr (b), част от Лидарната станция на ИЕ-БАН.
Аерозолна лидарна система с Nd:YAG лазер
Лидарният излъчвател е мощен импулсен двувълнов Nd:YAG лазер. Лазерът е с един допълнителен усилвателен модул и осигурява максимална импулсна енергия от 1 J на основната дължина на вълната 1064 nm и около 100 mJ на втората лазерна хармонична 532 nm, в импулс с продължителност 15 ns FWHM, при честота на повторение 2 Hz. Приемният оптичен телескоп е тип „Касегрен” с апертура 35 cm и фокусно разстояние 195 cm. Системата е снабдена с оптико-механичен блок за разделяне на спектралните компоненти на разсеяното лъчение, във всеки работен канал – високо-чувствителни фото-електронни модули, аналого-цифрови преобразуватели на сигналите, формираща и управляваща електроника и компютърна система за регистрация, натрупване и обработка на лидарни сигнали и данни. Лидарът позволява извършване на измервания и регистрация на разсеяни от атмосферата сигнали до разстояния до 30 km (височини до 16 km, включващи цялата тропосфера и ниската стратосфера), с пространствено разрешение 15 m и времево разрешение 100 ns, при възможности за вертикално сканиране в дипазона 0-32° и хоризонтално в диапазон от 50°.
Аерозолна лидарна система с лазер на метални пари
- Лазерен източник – лазер на метални пари (лазер на медни пари, на меден бромид, на медни и златни пари в зависимост от задачите на изследванията).
- Средна мощност на лазерите – типично 2-4 вата.
- Честота на повторение – 5KHz (лазер на медни пари), 8 – 10 КHz (лазер на пари на меден бромид, лазер на медни и златни пари).
- Продължителност на импулсите ~ 10ns.
- Дължини на вълните – 510.6 nm, 578.2 nm или 627 nm (лазер на златни пари).
- Разходимост на лазерното лъчение в атмосферата – 1-2 mrad, диаметър на снопа при лидара около 10см.
- Диаметър на приемния телескоп – 18 см с фокусно разстояние ~ 100см.
- Фотонен приемник в режим на броене на фотони от фирмата Malvern.
- Честотна лента – 100 МHz.
- Вертикални измервания в тропосферата и стратосферата (до 20-30км във височина).
- Мъртва зона ~ 800m.
Резултати от изследванията с двете лидарни системи
Фиг. 2 Резултати от изследване на атмосферните аерозолни слоеве над гр. София с лидарните системи на Лаборатория „Лазерна локация”: регистрации на трансконтинентален пренос на Сахарски прах (a-d, f), на стратосферни аерозоли (19 км) от пожари в Канада (d) и димни аерозоли от пожар в околностите на Кремиковския манастир (е).
