高功率连续波单频589 nm金刚石钠导星激光器研究(特邀)

面向天文观测等领域对高功率单频589 nm钠导星激光器的应用需求,通过金刚石拉曼谐振及腔内倍频技术结合1018 nm掺镱光纤激光技术,实现了最高功率16.5 W的连续波单频589 nm钠导星激光器研制。建立外腔拉曼振荡及腔内倍频理论,详细分析谐振腔输出耦合率和倍频晶体相位匹配条件对输出激光功率的影响。激光光谱宽度为16 MHz,光束质量因子为1.05,光光转化效率为20%。

基于同步探测的脉冲钠导星聚焦非等晕性实验研究

本文提出在大气Greenwood时间常数内采用同步探测技术实现钠导星聚焦非等晕性测量,开展了脉冲体制钠导星探测实验,实现了对大气平流层顶端钠导星和同路径自然星可见光波段的哈特曼点阵的同步探测,并获得钠导星回光单帧波面,从波面一致性对比、Zernike系数比较、模拟成像校正等方面对实验结果进行较全面分析.实验结果表明,在当前实验条件下,虽然脉冲钠导星的单帧哈特曼点阵的成像对比度较低,制约了波面恢复精度,但同步测量的两组波面始终能保持相似性,其Zernike系数在前36阶一致性较好,模拟结果表明钠导星探测波面有助于实现对自然星成像的有效校正,扣除波面恢复误差后的聚焦非等晕性方差小于0.1rad2,十分接近理论结果.

瑞利导星和钠导星共用的多层波前探测技术

目的提出一种对分层大气湍流所引起的波面畸变进行有效探测的技术．方法假设大气湍流主要集中在两薄层中，用同一束发射激光通过时间选通既产生钠导星，又产生瑞利导星．前者可探测两层湍流引起的光波波前总畸变，后者则用于探测低层湍流单独引起的波面相差．建立这些畸变量之间的耦合方程，并进行求解．结果得到高层湍流单独引起的波前畸变．结论用这种方法可以方便地探测两层大气湍流所引起的波面畸变。

高功率准连续微秒脉冲钠导星激光

采用硼酸锂(LBO)晶体腔外和频Nd∶YAG 1 064nm与1319nm激光获得了高功率准连续微秒脉冲钠导星激光。通过改进的欧拉方法数值模拟了和频过程的三波耦合方程,优化了基频光的束腰大小与LBO晶体长度。为了提高和频效率,通过像传递系统对两路基频光进行扩束整形实现了空间模式匹配,通过精确控制触发延时实现了时域激光脉冲同步。研究了500,600,800及1000Hz条件下的和频输出特性,结果显示,该条件下分别产生了53,42.6,27及22 W的589nm激光输出,相应的和频效率分别为21.8%,20.3%,16.9%和16.3%。黄光最高功率时的光束质量因子M2为1.32,脉冲宽度为100μs。采用了PZT与步进电机复合控制系统进行稳频,实现频率的波动为±0.2GHz,保证了黄光波长在钠原子D2a谱线的吸收谱内。该项研究为获取50 W级高功率准连续微秒脉冲钠导星激光提供了有效的技术支持。

589 nm激光钠导星技术研究综述(特邀)

高功率、窄线宽589 nm激光可激发海拔约90 km处厚度约10 km的钠层原子并产生后向散射荧光。基于589 nm激光的钠导引星是地基光学望远镜自适应光学系统的理想信标光。介绍了激光与钠原子相互作用的谱线跃迁以及钠导星亮度增强技术,论述了钠导星技术的重要应用以及589 nm激光光源的分类和发展。

金刚石拉曼钠导星激光器技术研究进展

基于钠层的589 nm激光导引星技术,结合地基光学望远镜自适应光学系统,可以有效补偿大气扰动造成的光信号波前畸变,在天文观测、星地激光通信、空间碎片跟踪等诸多领域有着重要的应用前景。介绍了一种新型的589 nm钠导星激光器技术:金刚石拉曼钠导星激光器。金刚石晶体超高的热导率和无空间烧孔效应的增益特性是提高激光输出功率和实现单纵模运转的关键,目前已获得22 W的连续波单频钠导星激光器输出。金刚石拉曼激光器技术提供了一种实现高功率钠激光输出的高效方案,并为高功率微秒脉冲、高重频脉冲、频率啁啾等新型钠导星激光器系统提供了新的思路。

强天光背景下基于钠导星的大气波前像差探测研究

针对较强天光背景下基于暗弱钠导星的大气波前畸变像差实时探测需求,本文提出了一种综合滤波的主动式波前探测技术,完成了对该技术的理论分析、参数设计及探测能力预估,并将该技术应用于传统哈特曼波前探测器,开展了基于钠导星的大气波前畸变像差探测实验。在约10 W/(m^(2)·sr)的天光背景条件下,实现了基于钠导星同步采样大气波前畸变像差的实时探测。本工作对实际钠导星自适应光学系统应用的工作时段扩展进行了有益尝试。

全固态窄线宽钠导星激光器

研制了一台重复频率400Hz,平均功率1.0W的激光二极管抽运全固态窄线宽钠导星激光器。利用两路波长分别为1064 nm和1319 nm的声光(AO)调Q激光器作为基频光,在腔外通过三硼酸锂(LBO)晶体和频产生(SFG)589 nm钠导星激光,和频效率约达20%。每路基频光均采用标准具压窄线宽,输出和频光线宽约1.8 GHz,并调节控制标准具的温度和倾斜角度将中心波长锁定于58.9.159nm(偏差±1 pm),实现了激光器谱线与钠原子D2线的精确匹配。

钠导星激光器研究进展

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50 W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50 W。

高效率PPSLT准相位匹配和频钠导星激光器

报道了一台平均功率3.09W、和频效率大于35%的周期极化化学计量比钽酸锂(PPSLT)晶体准相位匹配和频钠导星激光器。用声光调Q的二极管抽运Nd:YAG固体激光器产生高光束质量的基频光1064nm与1319nm,在腔内插入高精度控温的标准具获得窄线宽输出,并在腔外通过准相位匹配的PPSLT晶体和频产生钠导星激光。当注入PPSLT晶体的1064nm和1319nm总平均功率约8.80W时,在匹配温度68℃时实现了最高和频转换,输出钠导星激光3.09W,重复频率800Hz,脉宽约60ns,线宽约1.6GHz。并通过调节控制标准具的倾斜角度和温度,将中心波长对准至钠D2a线589.1591nm,偏差小于±0.2pm。

400 Hz全固态和频钠导星激光器

报道了一台重复频率400 Hz、平均功率1.52 W的二极管抽运全固态钠导星激光器。利用两路声光调Q的1064 nm与1319 nm激光作为基频光,并采用主从电源模式以及电子学延迟补偿技术实现两个调Q脉冲的时间同步,然后在腔外通过一块LBO晶体和频产生了589 nm钠导星激光,和频效率约达25.1%,系统电光效率0.32%。为了实现中心波长与钠D2a线的锁定,在1064 nm激光器内插入一块标准具,并采用水冷控温,通过调节控制标准具的倾斜角度和温度,最终将中心波长对准至589.159 nm,并且偏差小于±1 pm。

基于多种激光参数泵浦的钠导星回光强度研究

高亮度的钠导星是实现大气波前畸变精准探测的重要条件。已有研究表明,钠导星的后向共振荧光散射强度与大气传输效率、地磁场、季节、发射系统参数、接收系统参数和泵浦激光参数等诸多因素密切相关。脉冲型钠导星可有效提高自适应光学系统的波前探测信噪比。在多种激光参数泵浦模式下,开展了脉冲型钠导星回光强度的探测实验。基于高能量多纵模百微秒脉冲钠导星激光泵浦大气钠层,获取了一系列回光强度数据,与理论分析结果比较吻合。实验结果表明:泵浦激光谱线的精密控制是获得钠导星稳定回光强度的重要手段,基于圆偏振光双线展宽泵浦体制的钠导星工作模式是实现高效激发钠层原子并获得高亮度回光的有效途径。

激光钠导引星技术研究进展

望远镜是人类探索宇宙奥秘最重要的科学工具之一。大型地基光学望远镜对天观测时,大气扰动使星光波前畸变导致其实际分辨率大幅下降,是长期困扰高精度天文观测的重大科技问题。因此世界各大望远镜均在竞相发展自适应光学技术,以校正大气造成的波前畸变,使望远镜达到近衍射极限分辨率,这标志着地基光学望远镜正在进入自适应光学望远镜时代。激光钠导引星是用激光激发海拨约90 km电离层中的钠原子产生的人造亮星,作为自适应光学校正的信标源,是自适应光学望远镜的核心技术之一。文中介绍了激光钠导引星技术的原理、方法与国内外发展状况,尤其是该实验室采用的固体激光和频技术,实现了钠D2线光谱匹配和钠层激发匹配的微秒脉冲钠导引星激光,并在国内外大望远镜上使用获得成功。

用于自适应光学的钠导星激光器研究进展

自适应光学技术在大型地基光学天文望远镜发展中扮演越来越重要的角色,589 nm钠导星激光器是此技术的关键。按产生方式的不同,综述了染料钠导星激光器、全固态钠导星激光器和光纤钠导星激光器,重点从激光产生难度与导星回波效率等方面对不同运转模式的全固态钠导星激光器进行了比较与分析。与连续波运转的钠导星光源相比,以微秒脉冲方式运转的钠导星光源可以采用时间选通机制提高钠导星成像精度,为自适应光学的校正提供了优良的信标。

微秒脉冲激光钠导引星星群技术研究(特邀)

激光钠导引星被称为人造恒星,用于探测和校正光波经大气湍流引起的波前畸变,大幅度提高自适应光学望远镜的成像质量。采用单颗钠导引星探测的有效视场范围有限,通过多束黄激光分别激发大气电离层钠原子产生多颗钠导引星,能在较大视场内获得更清晰的目标成像,在精密天文观测、空间目标探测等领域具有重要应用。文中重点介绍了微秒脉冲激光钠导引星星群的产生,基于100 W级微秒脉冲激光,采用小角度精密偏振分光/并束调控的专利技术,在丽江天文台通过一台发射望远镜将四束20 W/束、重复频率kHz、脉冲宽度百微秒的钠激光发射到天空,在40"观测视场内生成四颗导引星,星群构型可调控,如线形、平行四边形、菱形和正方形等,每颗钠导引星亮度约为V波段8等星,光斑大小约3.25"。利用脉冲同步控制技术,钠导引星回波信号可以避免瑞利散射光的干扰,从而获得更高的空间分辨率。这为大口径天文望远镜多层共轭校正系统的研制提供技术参考。

激光导引星自适应光学系统对大气湍流低阶像差校正效果分析

在对大气湍流相位扰动进行 Zernike多项式展开的基础上 ,通过对信标和目标光的Zernike系数相关因子的推导 ,得到了实际自适应光学系统 (系统存在时间滞后和有限的空间分辨率 )对相位扰动各阶像差的校正残差公式。同时结合实际 ,对瑞利导星以及钠导星自适应光学系统补偿大气湍流各阶像差的能力进行了计算和分析 。

星载自适应光学系统的双导星信标理论研究

星载相机的波前畸变主要来源于两个部分 :由于温度场、重力场变化引起的相机光学系统自畸变 ;由于大气湍流引起的波前误差。为获得高分辨率的图像 ,需要校正波前误差。提出一种对星载光学系统波前畸变进行有效探测的技术。星载激光器分时产生钠导星和瑞利导星 ,前者用于校正自畸变 ,后者用于校正大气湍流造成的波面像差。针对该方法对激光能量的要求 ,建立了双导星信标系统的数值模型 ,并进行仿真。结果表明 ,该方法对激光器的要求 ,在目前是可以实现的。该方法可以用于空间相机光学系统的波面畸变探测 ,从而为星载自适应光学的进一步研究提供依据。

星载自适应光学系统信标技术与理论

由于重力场、温度场、光学器件等产生波前误差,造成航空详查相机的分辨力和测量精度降低,用自适应光学钠导星信标系统对这种波前误差进行校正是一种理想的方法。通过对钠导星信标产生原理进行分析,提出了钠导星信标理论模型,并且在该模型的基础上进行了仿真实验,在实验中得到相机高度在250-400km高空时激光器最佳脉冲能量值在597-1530mJ之间,激光脉宽则在5.4-7.1ns之间,这些实验数据对实际应用有一定的参考价值。

钠信标激光技术进展

地基光学望远镜对天观测时,大气湍流扰动引起星光波前畸变将导致其实际分辨率远低于物理极限,这是急需解决的科学技术问题。采用钠信标激光激发海拔80~105 km大气电离层中的钠原子可产生高亮度的钠导引星,可作为信标探测大气对光波的扰动,再利用自适应光学技术进行校正,能使望远镜克服大气扰动影响,获得近衍射极限的分辨率。介绍了钠信标激光的特性与国内外研究进展,尤其是中国科学院理化技术研究所激光物理与技术研究中心研制的钠D2线双峰谱型匹配的微秒脉冲钠信标激光器及其在大型望远镜上的应用情况。

地基自适应光学钠导引星参数影响因素分析

钠导引星激光参数指标主要受到自适应光学系统的校正能力、大气条件、观测目标运动的时空特性、钠层非线性饱和效应等因素影响。在综合上述影响因素基础上，从自适应光学导引激光器的参数指标论证角度，给出了钠导引激光能量的计算公式，同时将信标视星等亮度引入到计算公式；分析给出了不同自适应光学望远镜系统口径条件下，能提供完整波前信息的钠导引星个数需求；重点分析了不同自适应光学预期校正效果、大气相干长度、观测俯仰角等对信标激光能量的影响；结合实际工程应用需求，模拟计算了特定条件下导引信标激光能量与信标视星等的关系。