近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空間激光信息技術(shù)研究中心、上海市全固態(tài)激光器與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馮衍研究員課題組在鈉導(dǎo)星激光器技術(shù)研究中取得新進(jìn)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(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了高功率、運(yùn)轉(zhuǎn)模式與光譜特性靈活的結(jié)構(gòu)緊湊的鈉導(dǎo)星激光器。研究工作以長(zhǎng)文形式總結(jié)發(fā)表于光學(xué)類(lèi)國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Laser and Photonics Review [Laser Photonics Rev. 8, 889–895 (2014)]。

　　天文觀測(cè)中，當(dāng)光線通過(guò)大氣層時(shí)，波前會(huì)發(fā)生畸變，使得地面的大型天文望遠(yuǎn)鏡不能達(dá)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(lái)補(bǔ)償大氣湍流引起的波前畸變，實(shí)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(chēng)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(xiàng)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(jì)兩級(jí)拉曼光纖放大器進(jìn)行功率放大，獲得的高功率1178 nm激光再通過(guò)一個(gè)諧振倍頻腔產(chǎn)生589nm激光，波長(zhǎng)鎖定于鈉原子D2a吸收線。研究過(guò)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(zhǎng)脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)。連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，輸出功率 >50 W(最大57 W);矩形長(zhǎng)脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(lán)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(duì)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(yùn)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(shì)，是理想的天文用鈉導(dǎo)星激光器。

　　除天文觀測(cè)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(lái)補(bǔ)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(xiàng)研究得到了中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃、“863”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)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(xì)光譜

圖2 諧振倍頻產(chǎn)生589nm黃光照片