[發明專利]一種產生高平均功率高重復頻率脈沖鈉信標激光的裝置

有效

• 申請號: 201210526248.2
• 申請日: 2012-12-07
• 公開（公告）號: CN103259156A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 彭欽軍;薄勇;許祖彥;申玉;高宏偉;謝仕永;左軍衛;徐健
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: H01S3/00
• 分類號: H01S3/00;G02B27/28;H01S3/0941
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

技術領域

本發明屬于固體激光器領域，特別涉及一種產生高平均功率高重復頻率脈沖鈉信標激光的裝置。

技術背景

大型地基望遠鏡對天體等空間目標進行觀測時，由于大氣湍流等的擾動影響，將極大地降低成像分辨率。采用自適應光學技術可以對這些擾動因素進行校正，使望遠鏡達到理論衍射極限分辨率，這對于理論衍射極限分辨率極高的大口徑天文望遠鏡尤其必要。采用自適應光學系統進行圖像校正時，需要有導引星（稱為信標），即在距離地面一定高度處產生或尋找一較強的光源，以之發射的光信號波前為標準，通過測量該波前通過大氣產生的相位畸變來獲得誤差信號，從而實現對觀測目標的成像校正，信標可以按產生方式分為自然導信標與人造信標。滿足信標亮度要求的自然亮星很少，為了克服自然導引星的限制，最有效的方法是人為制造一顆導引星，即通過激光信標技術，由地面發射激光，利用大氣對激光的背向散射光作為人造參考信標。

激光信標技術當前主要有瑞利信標和鈉信標兩種。其中，瑞利信標是在海拔10~20km高的大氣中產生的，源于大氣對532nm波長綠激光的背向散射，瑞利信標的優點是技術較為成熟，易于實現，所用激光器的性能是一些商用產品所能達到的，但它僅能在距地面較低距離產生激光導引星，校正效果有限；鈉信標是利用海撥90~110km高的大氣電離層的鈉原子對589nm波長黃激光的共振熒光背向散射產生的，鈉信標以其較高的位置（已接近大氣頂層）、在進行波前重構時，能夠更充分的反映大氣對波前的影響，提高成像空間分辨率，使其接近或達到大口徑望遠鏡的光學衍射極限，因而是自適應光學望遠鏡的理想信標。

實際應用中，自使用光學系統對鈉信標光源性能有特定要求，其波長應精確調諧到鈉原子的D_2a共振譜線即真空波長為589.159nm且頻率穩定，其次要求激光線寬窄（<1.2GHz），光束質量好（M²<1.5），功率高（一般要求>10W），偏振度好（98%）。對于常規的天文觀測應用，系統應該有較高的可靠性、耐用性及集成化，能夠符合這些要求的589nm激光器稱之為鈉信標激光器。

目前國際上鈉信標激光器主要包括，連續波鈉信標技術（第一代鈉信標技術）與脈沖鈉信標技術（第二代鈉信標技術）；與連續波運行體制的鈉信標激光相比，脈沖鈉信標技術具有明顯的優勢：能夠通過門脈沖時間選通技術，完全消除大氣瑞利散射的干擾，提高鈉信標信號的信噪比，并減小鈉導引星像斑拉長現象，提高鈉導引星成像精度，因此采用脈沖鈉信標技術，能夠使自適應光學系統實現更好的校正效果，獲得更高分辨率的觀測圖像。

用于產生鈉信標的激光器主要有染料激光器、光纖激光器及全固態激光器，隨著激光技術的不斷發展，各類鈉信標激光器的性能都在不斷的提高。

染料激光器可以直接產生589nm黃光，其最早完成了鈉信標激光器的商業化，并且在上世紀八十年代中期就被廣泛使用。染料激光器技術較為成熟，應用廣泛，但也存在著明顯的缺點：染料激光器系統復雜龐大，集成較為困難且光譜覆蓋較小，因此，隨著全固態激光器的進一步發展，染料激光器在某些科研及生產中的地位已被結構緊湊、光譜覆蓋廣的新激光技術逐步替代。拉曼光纖激光器也是輸出鈉信標激光的有效手段，通過光纖激光器的拉曼頻移技術首先得到合適波長的基頻，而后采用非線性晶體或準相位匹配晶體倍頻得到589nm黃光。但做為用于產生鈉導星的光源，其功率進一步提升相對困難，且其是在連續波方式下運轉，若采用光纖拉曼法獲取準連續脈沖方式運轉的第二代鈉信標光源，由于峰值功率的提高，線寬壓窄仍然受限于光纖的受激布里淵散射和高階斯托克斯散射，性能上還有一定的不足。全固態激光器是目前國際上激光技術研究的熱點。以摻釹離子的晶體為激光介質的固體激光器通過倍頻已獲得了高功率的紅、綠、藍三基色輸出，然而在黃光波段（550nm-650nm）由于缺少相應的基頻光，還不能通過倍頻的方式直接獲得。使用兩個分別運轉在1064nm和1319nm的Nd:YAG激光器，通過非線性和頻過程可以得到與Na原子D₂線共振的589nm黃光輸出。