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钠导星激光器研究进展

导读: 钠导星激光器技术是AO系统中一项极具意义的关键技术。从20世纪90年代初至今约20年的时间内,钠导星激光器经历了染料激光器、固体激光器、光纤激光器3个阶段,并朝着更高亮度、更高可靠性、更低能耗、更小体积的方向持续发展。

  本文介绍了钠导星激光器在自适应光学系统中的应用价值,分析了其指标特点及技术难点。按产生方式的不同,分别从染料激光器、固体激光器、光纤激光器3个方面阐述了钠导星激光器的发展历程及最新进展。染料钠导星激光器是最早获得工程应用的激光器,但由于体积较大、稳定性及可靠性较差等缺点逐渐遭到淘汰。固体钠导星激光器又分为和频(SFG)、受激拉曼散射(SRS)及光参量放大器(OPA)3种类型,其中和频方式应用最为广泛,科学家们已根据需要开发出宏微脉冲体制、连续单频体制及连续锁模体制的激光器,并已研制出平均功率50W的商用产品。光纤钠导星激光器是近几年迅猛发展起来的一类新型激光器,尤其是基于拉曼光纤放大器倍频的连续单频钠导星激光器,输出功率已突破了50W。

  激光导引星可以用作自适应光学(AO)系统的人造参考导引星(又称为信标),大幅增加天文望远镜上AO系统的天空覆盖率。在地面上发射一束589nm(对应钠D2线)激光,照射高度80100km处大气层的钠原子,引起钠原子共振,产生后向散射荧光,就可以获得钠导星。AO系统用这些激光导引星作为参考光源去探测大气湍流效应,为变形镜提供反馈信号,用于补偿由于湍流引起的成像模糊效应。钠激光导引星与1020km处的瑞利激光导引星相比,聚焦非等晕(圆锥效应)更小,并且它们可以探测大气全部范围内的湍流效应。

  钠导星最常用的波长是钠原子的D2谱线,因为它具有最大的散射截面。根据钠原子的超精细结构,D2线分离为间隔1.772GHz的D2a线(589.159nm)和D2b线(589.157nm)。当大气层温度在190K附近时,D2a线和D2b线多普勒展宽宽度均约为1GHz,整个D2线展宽宽度约3GHz,呈现为/双驼峰0式结构,并且D2a线/驼峰0的吸收截面比D2b线/驼峰0高出近1倍。因此,钠导星激光器的中心波长对准D2a线(589.159nm)时效果最佳,且线宽应小于3GHz。另一方面,钠原子的吸收是非线性的,会产生饱和效应,峰值功率密度不可太高,因此在时间特性上不适宜采用低占空比、高能量的脉冲激光器

  由于钠原子具有上述物理特性,钠导星激光器要求的研制难度比瑞利导星激光器要高得多,通常要求其平均功率大于10W,光束质量近衍射极限,中心波长精确对准589.159nm,且线宽小于3GHz(约3.3pm),工作体制以连续体制或宏微脉冲体制为佳。因而早期的激光人造信标以瑞利导星为主,但由于瑞利导星存在一些固有的缺点,所以随着激光技术的发展,钠导星已逐渐占据主导地位。按产生方式的不同,钠导星激光器可以分为染料激光器、固体激光器和光纤激光器。

  1、染料激光器

  染料激光器由于可以直接受激辐射产生589nm激光,在钠导星激光器早期研究中受到科学家们的青睐。1993年,美国劳伦斯#利弗莫尔国家实验室(LLNL)研制出平均功率达1.1kW的染料钠导星激光器,重复频率为26kHz,脉宽约32ns,中心波长漂移小于50MHz,线宽约2.7GHz,图1为其原理示意图。

  图1LLNL染料钠导星激光器原理示意图

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