近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空間激光信息技術研究中心、上海市全固態激光器與應用技術重點實驗室馮衍研究員課題組在鈉導星激光器技術研究中取得新進展，他們采用基于窄線寬拉曼光纖放大器和諧振倍頻的技術方案，實現了高功率、運轉模式與光譜特性靈活的結構緊湊的鈉導星激光器。研究工作以長文形式總結發表于光學類國際學術期刊Laser and Photonics Review [Laser Photonics Rev. 8, 889–895 (2014)]。
天文觀測中，當光線通過大氣層時，波前會發生畸變，使得地面的大型天文望遠鏡不能達到預期的分辨率。天文學家們采用自適應光學技術來補償大氣湍流引起的波前畸變，實現高分辨成像。自適應光學技術需要亮星作為導引。廣泛采用的方法是用激光激發90公里高空的鈉原子層，鈉原子發光形成人工導引星，稱為鈉導星。用于產生鈉導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、穩定性好等等。
該項研究中，科研人員采用窄線寬半導體激光器作為種子激光器，設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生589nm激光，波長鎖定于鈉原子D2a吸收線。研究過程中，發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鍵技術。同一激光裝置可以連續波或長脈沖運轉。連續波運轉時，輸出功率 >50 W(最大57 W);矩形長脈沖運轉時，峰值功率> 80 W，重復率(500 Hz to 10 kHz)和脈寬(1 ms to 30 µs)連續可調。光束質量近衍射極限，線寬<5 MHz(如需要，可調寬)。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效率。再泵浦分量的比例和相對主峰的頻移量可連續調諧。所研制的基于光纖的鈉導星激光器，因其運轉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勢，是理想的天文用鈉導星激光器。
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，需要鈉導星自適應光學技術來補償波前畸變。所研制的光纖鈉導星激光器預期在這些領域也將得到應用。
該項研究得到了中國科學院百人計劃、“863”計劃、國家自然科學基金等項目的支持。
圖1 左：鈉導星激光的重復率與脈寬調諧;右：帶再泵浦分量的鈉導星激光輸出精細光譜
圖2 諧振倍頻產生589nm黃光照片
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