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2025-12-19

导读：新型全息成像仪SmHOLIMO在云滴微观结构测量中的突破性进展，作为关键组件供应商，Cobolt公司的06-MLD系列激光二极管为SmHOLIMO提供了高性能相干光源，确保了实验的精确性和可靠性。

Cobolt激光器助力突破性云滴测量技术：SmHOLIMO全息成像仪的新进展

近日，一项发表于《大气测量技术》（Atmospheric Measurement Techniques）的研究展示了新型全息成像仪SmHOLIMO在云滴微观结构测量中的突破性应用。该仪器由苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）开发，旨在解决现有云探测仪在测量小云滴（尤其是小于6µm）方面的挑战。作为关键组件供应商，Cobolt公司的06-MLD系列激光二极管为SmHOLIMO提供了高性能相干光源，确保了实验的精确性和可靠性。本文将基于论文原文，详细总结SmHOLIMO的开发、验证及野外应用，并重点分析Cobolt激光器的参数如何支撑这一创新工作。

研究背景

云滴尺寸分布（CDSD）是表征液体和混合相云微观结构的关键参数，直接影响云的演化和辐射相互作用。然而，传统云探测仪需依赖恒定速度平台或可能改变实际CDSD的入口，导致对小云滴的测量仍存在空白。这给天气和气候模型带来了不确定性，因为模型参数化常基于这些测量结果。为此，论文作者开发了SmHOLIMO（小型全息成像仪），专门用于测量3.7µm至约100µm的云滴谱，样本体积率为2.5 cm³/s，在保持全息技术优势的同时，将分辨率推向前向散射探针的水平。

论文工作主要包括三个部分：SmHOLIMO的仪器设计与工作原理、实验室表征与验证、以及野外案例研究。整个过程严格遵循科学方法，未引入任何假设或发散观点。

SmHOLIMO的仪器设计

SmHOLIMO基于数字在线全息技术，其工作原理涉及全息图的生成和数值重建。仪器硬件设计轻巧（约5.3公斤）、紧凑，适用于地面或气球平台部署。关键组件包括激光源、相机和电子系统，其中Cobolt 06-MLD 405 nm激光二极管（实际波长409 nm，150 mW功率）作为相干光源，发挥了以下重要作用：

波长稳定性（409 nm）：论文指出，由于制造公差，激光波长实际为409 nm而非标称405 nm。这一微小偏移经过校准后，确保了全息图记录中干涉图案的清晰度，减少了大气杂光干扰。波长在紫外-蓝光范围，有助于提高分辨率，因为衍射极限与波长成正比（论文中提及衍射分辨率公式，但根据要求不展开原理）。
功率与调制（150 mW）：激光器以数字调制模式运行，生成稳定的220 ns脉冲，有效减少了运动云滴的模糊效应。高功率保证了样本体积（直径10.5 mm）的均匀照明，使相机能捕获高质量全息图。
开放路径配置：Cobolt激光器与光纤耦合系统结合，实现了开放路径设计，避免了入口和抽吸泵的需要，从而最小化非等动能采样效应。这使得SmHOLIMO能在可变风速（<10 m/s）下工作，适用于系留气球等平台。

上图直观展示了SmHOLIMO的工作流程和组件布局，其中Cobolt激光器作为参考波源，是生成全息图的基础。(a)SmHOLIMO与数字在线全息技术的工作原理示意图。激光束在穿过样品体积前经过准直处理（参考波）。样品中的颗粒物引发衍射，产生与参考波发生干涉的二次波（衍射波）。相机将形成的波前记录为二维全息图。相机前安装有带通滤光片（BPF）以抑制杂散光。(b)SmHOLIMO主要组件的标注示意图。

论文通过实验室测试确保了SmHOLIMO的准确性。首先，光学分辨率测量使用1951 USAF分辨率测试图，验证了仪器在整个样本体积内的均匀分辨率（3.7µm像素限制）。结果显示，实测分辨率接近理论极限，符合预期。

SmHOLIMO光学分辨率测量值与理论极限随重建深度zrec的变化关系。实测分辨率Dres，exp（红色十字标记）采用1951年美国空军分辨率测试图谱测定。黑色实线表示衍射分辨率极限Dres，rec（zrec），黑色虚线表示像素分辨率极限Dres，pix。

其次，粒子尺寸算法验证通过振动孔气溶胶发生器（VOAG）进行，生成单分散液滴（直径约4-19µm），并与气动颗粒采样器（APS）对比。SmHOLIMO的尺寸算法基于亮度阈值，结果显示与APS测量高度一致（偏差<6%），证实了仪器在微小液滴测量中的可靠性。Cobolt激光器的稳定输出为这一验证提供了均匀照明基础，减少了背景噪声。

测量消散低层云

论文在2024年2月29日于瑞士高原进行案例研究，使用系留气球系统（TBS）部署SmHOLIMO，观测消散的低层云。共完成30个垂直剖面，测量云底至云顶的微物理特性。研究比较了SmHOLIMO与另一种全息成像仪HOLIMO（分辨率6µm），以及微波辐射计和云雷达的遥感数据。

关键发现包括：

云滴尺寸分布（CDSD）：SmHOLIMO成功扩展了可观测尺寸谱至3.7µm，而HOLIMO在云底区域因分辨率限制无法捕获完整分布。例如，在云底区域，SmHOLIMO测量的CDSD显示更多小液滴，导致云滴数浓度（CDNC）比HOLIMO高4倍，平均直径小1.6倍。
微物理变量：SmHOLIMO数据表明，云光学厚度比HOLIMO高10%，辐射衰减可达2.7倍，凸显了小液滴测量对云辐射性质的重要性。
与遥感对比：SmHOLIMO推导的液态水路径（LWP）与微波辐射计一致，等效反射率与云雷达数据相关性良好（斜率0.82），优于HOLIMO（斜率0.66）。

论文指出，SmHOLIMO在上升剖面中表现优异，但下降剖面因安装问题（样本体积受阻）出现采样偏差，作者已排除这些数据以确保分析严谨。这体现了研究中对数据质量的严格把控。

本研究证实了SmHOLIMO在高分辨率云滴测量中的能力，其3.7µm分辨率接近前向散射探针水平，同时保留了全息技术的开放路径优势。Cobolt激光器的409 nm波长和150 mW功率为仪器提供了关键照明支持，确保了全息图的清晰度和稳定性。这项工作不仅提升了云微物理观测的精度，还将有助于改进气候和天气模型。