人造信標是指利用地面上發(fā)射的特定激光器在大氣層產(chǎn)生的人造導引星。在天文學目標探測和成像領(lǐng)域，為了提高大型望遠鏡的成像分辨率，則需用人造信標對大氣湍流引起的波前畸變進行探測和自適應(yīng)光學校正。人造信標通常包含兩種：鈉信標和瑞利信標。由于鈉信標產(chǎn)生高度位于大氣層90km~100km，遠高于早期應(yīng)用的瑞利信標(高度10km~20km)，能夠為自適應(yīng)光學系統(tǒng)提供全程大氣畸變信息，因此是當前最為理想的人造信標。
高性能鈉信標激光器是產(chǎn)生高亮度鈉信標的首要前提。根據(jù)共振吸收后向散射產(chǎn)生鈉信標的原理以及鈉原子柱密度起伏變化大的特點，鈉信標激光器必須具備譜線控制精準、高平均功率、高光束質(zhì)量等性能。由于各種激光介質(zhì)中僅有染料能直接激射產(chǎn)生鈉信標激光，但染料激光器又存在強污染、體積龐大、可靠性差等固有缺陷，因此，自1987年首次報道鈉信標激光器以來，尋求和發(fā)展同時滿足技術(shù)指標要求和工程實用化要求的鈉信標激光器，一直是科學家們攻關(guān)研究的難點和熱點。
本項目基于對鈉信標產(chǎn)生物理機理和系統(tǒng)總體技術(shù)深入研究，科學選取了與國內(nèi)外主流的連續(xù)體制鈉信標激光器截然不同的脈沖體制鈉信標激光作為發(fā)展路線，并基于1064nm與1319nm兩臺全固態(tài)激光器非對稱性注入(兩者亮度之比約6.4:1)片狀LBO晶體腔外和頻，實現(xiàn)平均功率達81W、單脈沖能量325mJ、光束質(zhì)量M2<1.3、中心波長589.1591nm、線寬小于1GHz、脈寬約150μs鈉信標激光輸出。這是目前國際上平均功率最高的全固態(tài)鈉信標激光器。同時，提出了“0+2=2”模式的新型譜線控制方法(即采用一臺單縱模激光器與一臺多縱模激光器將鈉信標激光器中心波長、線寬的控制措施分離)，并基于電光相位調(diào)制技術(shù)和高速PZT驅(qū)動技術(shù)，在國際上首次實現(xiàn)了同時具備線寬調(diào)諧與頻率啁啾功能的新型鈉信標激光譜線結(jié)構(gòu)。
(1) 提出了非對稱性注入和頻產(chǎn)生鈉信標激光的設(shè)計思想，在傳統(tǒng)對稱性注入和頻理論基礎(chǔ)上結(jié)合1064nm與1319nm基頻激光在量子轉(zhuǎn)化與熱效應(yīng)方面差異性特點，采取了二者在脈沖能量、光束質(zhì)量、時間波形均不對稱的設(shè)計方法，有效克服了1319nm激光綜合性能遠不及1064nm激光的物理缺陷，基于600mJ、M2~1.8、勻滑時間波形的1064nm激光，與400mJ、M2~3.0、弛豫振蕩波形的1319nm激光(兩者亮度之比約6.4:1)腔外和頻，成功實現(xiàn)世界最高平均功率、近衍射極限光束質(zhì)量全固態(tài)鈉信標激光器。
(2) 提出并采取了“0+2=2”模式的新型鈉信標激光譜線控制方法，通過一臺單縱模激光器(1064nm)與一臺多縱模激光器(1319nm)將鈉信標激光器中心波長、線寬的控制措施分離，前者控制中心波長，后者控制線寬，有效解決了鈉信標激光器中心波長、線寬均需高精度控制的技術(shù)難題。并且基于電光相位調(diào)制技術(shù)對單縱模1064nm激光線寬進行展寬，成功實現(xiàn)鈉信標激光線寬的調(diào)制展寬，即在亞GHz線寬多縱模精細結(jié)構(gòu)中，每個分立的縱模均可實現(xiàn)100MHz~ 500MHz的展寬。
(3) 結(jié)合溫度與壓電陶瓷(PZT)波長調(diào)諧技術(shù)、高精度波長探測技術(shù)以及PID反饋控制算法，有效解決了脈沖鈉信標激光因模式競爭中心頻率跳變較快的技術(shù)難題，實現(xiàn)了脈沖鈉信標激光中心波長的精確閉環(huán)和高速周期性掃描(又稱頻率啁啾)，在589.1591nm處長時間波長對準精度優(yōu)于±0.15pm(PV值)，啁啾幅度150MHz，帶寬5~20kHz。該結(jié)果已接近測量設(shè)備極限±0.06pm。
(4) 在1064nm與1319nm基頻激光器中，采用了光纖放大器與棒狀固體放大器相結(jié)合的多級多程鏈路式放大技術(shù)，集成光纖與塊狀固體兩種放大器的優(yōu)點，并在傳統(tǒng)熱致像差補償基礎(chǔ)上提出了多級串聯(lián)棒狀泵浦模塊像差互補償技術(shù)，實現(xiàn)總脈沖能量大于1.5J(實際用于和頻的脈沖能量為1J)、高光束質(zhì)量的基頻激光輸出。
(5) 采用了低熱高效片狀和頻晶體遠場和頻技術(shù)，大幅降低了高功率加載時LBO晶體熱梯度，有效抑制了影響和頻效率的溫度相位失配效應(yīng)，實現(xiàn)了32.5%的和頻轉(zhuǎn)換，此項技術(shù)指標達到國際先進水平。
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