天文觀測中，當(dāng)光線通過大氣層時，波前會發(fā)生畸變，使得地面的大型天文望遠鏡不能達到預(yù)期的分辨率。天文學(xué)家們采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)來補償大氣湍流引起的波前畸變，實現(xiàn)高分辨成像。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)需要亮星作為導(dǎo)引。廣泛采用的方法是用激光激發(fā)90公里高空的鈉原子層，鈉原子發(fā)光形成人工導(dǎo)引星，稱為鈉導(dǎo)星。用于產(chǎn)生鈉導(dǎo)星的激光器需要滿足一系列要求，包括：與鈉原子吸收線共振、窄線寬、高功率、穩(wěn)定性好等等。
該項研究中，科研人員采用窄線寬半導(dǎo)體激光器作為種子激光器，設(shè)計兩級拉曼光纖放大器進行功率放大，獲得的高功率1178 nm激光再通過一個諧振倍頻腔產(chǎn)生589nm激光，波長鎖定于鈉原子D2a吸收線。研究過程中，發(fā)展了高功率拉曼光纖激光器、高功率窄線寬光纖放大器、高效率諧振腔倍頻等核心關(guān)鍵技術(shù)。同一激光裝置可以連續(xù)波或長脈沖運轉(zhuǎn)。連續(xù)波運轉(zhuǎn)時，輸出功率 >50 W(最大57 W);矩形長脈沖運轉(zhuǎn)時，峰值功率> 80 W，重復(fù)率(500 Hz to 10 kHz)和脈寬(1 ms to 30 µs)連續(xù)可調(diào)。光束質(zhì)量近衍射極限，線寬<5 MHz(如需要，可調(diào)寬)。另外，輸出中包含離主峰藍移1.71GHz的再泵浦光譜分量，用于提高鈉熒光激發(fā)效率。再泵浦分量的比例和相對主峰的頻移量可連續(xù)調(diào)諧。所研制的基于光纖的鈉導(dǎo)星激光器，因其運轉(zhuǎn)方式與光譜特性的靈活性，以及光纖激光器高效率、小體積和魯棒性的優(yōu)勢，是理想的天文用鈉導(dǎo)星激光器。
除天文觀測之外，星地激光通信、空間碎片激光跟蹤與清理等同樣受大氣湍流的制約，需要鈉導(dǎo)星自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)來補償波前畸變。所研制的光纖鈉導(dǎo)星激光器預(yù)期在這些領(lǐng)域也將得到應(yīng)用。
該項研究得到了中國科學(xué)院百人計劃、“863”計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
圖1 左：鈉導(dǎo)星激光的重復(fù)率與脈寬調(diào)諧;右：帶再泵浦分量的鈉導(dǎo)星激光輸出精細光譜
圖2 諧振倍頻產(chǎn)生589nm黃光照片
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