小型Nd:YAG MOPAレーザーにより風観測ライダーの安定運用を実現(Compact Nd:YAG Master Oscillator Power Amplifier Laser Enables Stable Wind Lidar Operation)

2026-06-25 合肥物質科学研究院(HFIPS)

中国科学院合肥物質科学研究院・安徽光学精密機械研究所の張天樹教授らの研究チームは、非ドップラー方式の風ライダー向けに、小型・低コストで可搬性の高いNd:YAG MOPA(Master Oscillator Power Amplifier)レーザーを開発した。従来のドップラーライダーは高価で構成が複雑なため、狭い場所や過酷な環境での運用が課題だった。本研究では、発振器と増幅器を独立して励起するデュアル単一エミッタダイオード方式、2段階温度制御、ダブルパス増幅を採用し、熱安定性とエネルギー効率を向上させた。レーザーは3.96kHzの繰り返しで安定動作し、ナノ秒パルスとマイクロジュール級の出力、高いビーム品質を実現する。30~50℃の環境下でも出力変動は±3%以内、ビーム指向変動は50μrad未満に抑えられた。これを走査不要の多ビーム非ドップラー風ライダーへ組み込むことで、24時間連続の地表付近風況観測を実現し、風速・風向とも現地気象観測と良好に一致した。装置重量は約400gと軽量で、中型無人航空機への搭載も可能であり、低高度経済、風力発電、航空安全など幅広い分野での実用化が期待される。

小型Nd:YAG MOPAレーザーにより風観測ライダーの安定運用を実現(Compact Nd:YAG Master Oscillator Power Amplifier Laser Enables Stable Wind Lidar Operation)
Fig. 1. Experimental setup of the MOPA laser system (Image by CHEN Jinxin)

<関連情報>

風速ライダー用デュアルシングルエミッタダイオード励起パッシブQスイッチNd:YAG MOPAレーザー Dual single-emitter diode-pumped passively Q-switched Nd:YAG MOPA laser for wind lidar

Jinxin Chen, Yuyang Wang, Xi Chen, Gang Cheng, Yajun Wu, Xiaonan Zhao, Huihui Gao, Linhao Shang, Pan Liu, Yibin Fu, Guangqiang Fan, Tianshu Zhang, Xinhui Sun, and Wenqing Liu
Optics Express  Published: June 1, 2026
DOI:https://doi.org/10.1364/OE.597328

Abstract

High-resolution wind field sensing in the near-surface layer (up to several hundred meters) is increasingly critical to emerging paradigms such as the low-altitude economy, wind energy optimization, and aviation safety. While traditional Doppler wind lidars are highly accurate, their reliance on complex frequency-shift demodulation and strict optical aberration control limits their cost-effectiveness and environmental adaptability in widespread, near-surface deployments. To address these bottlenecks, this study develops a compact, passively Q-switched Nd:YAG master oscillator power amplifier (MOPA) laser for non-Doppler direct-detection wind lidar. Utilizing a single-diode pump, a two-stage temperature control design, and polarization-coupled double-pass amplification, the laser achieves a highly stable output at a 3.96 kHz repetition rate, with a single-pulse energy of 442.9 µJ, a pulse width of 5.012 ns, and near-diffraction-limited beam quality (M2X=1.62,MX=1.60 ). Notably, the system exhibits exceptional thermal robustness; operating across a harsh 30–50 °C temperature range, it maintains power stability better than ±3% and beam angular drift below 50 µrad—performance that exceeds commercial counterparts. Integrated into a multi-beam, scanner-free lidar architecture, the system successfully demonstrated continuous 24-hour wind profile measurements that closely align with those from in-situ meteorological sensors. This robust, lightweight, and cost-effective laser source represents a highly viable solution for scalable near-surface wind remote sensing in complex environments.

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