2024年12月02日
星期一
《量子电子学报》 2020年第四期“激光大气传输与探测”专辑封面文章：
BO Yong, BIAN Qi, PENG Qinjun, XU Zuyan, WEI Kai, ZHANG Yudong, FENG Lu, XUE Suijian.Development of sodium beacon laser[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2020, 37(4): 430-446.
大型地基光学望远镜对天观测时，大气湍流等扰动将极大地降低其成像分辨率。采用自适应光学技术可以对这些扰动进行校正，使其达到近衍射极限的分辨率。采用自适应光学系统进行校正时，需要有高亮度的导引星，以之发射的光波为标准（称为信标），通过测量光波经大气产生的波前畸变进行校正，实现对观测目标的高分辨率成像。 早期是以天空中的自然亮星作为导引星，然而能够满足探测需求亮度的自然亮星数量有限，导致探测与校正的天空覆盖率太低。为此，美国与法国的天文学家提出了激光钠信标技术，如图1所示，利用从地面发射的589 nm 波长黄激光激发海拨90~110km大气电离层中的钠原子，可产生高亮度的共振荧光背向散射，称为钠导引星或钠信标。采用钠信标可探测全天区100%范围的大气扰动，并且钠导引星海拨高、可探测几乎全程大气导致的波前畸变，是自适应光学系统的理想信标，成为大型地基光学望远镜不可或缺的关键设备之一。本文系统阐述了钠信标激光的特性、国内外研究状况与发展趋势，并重点介绍了本实验室研制的双峰谱型匹配钠D2线的微秒脉冲钠信标激光器及其在国内外大型望远镜的应用情况。
图1 激光钠信标系统工作原理图
1 钠信标激光的技术要求
为了能够产生高亮度的钠导引星，要求：1）钠信标激光需精密匹配钠原子D2谱线，包括激光波长精确对准钠原子D2谱线（589.159 nm），激光线宽远小于1.2 GHz，最好为双峰谱型且分别匹配钠D2a和D2b线，且为特定圆偏振态；2）钠信标激光同时实现高平均功率（百瓦级）与高光束质量（近衍射极限）；3）激光高重频微秒脉冲运转，由此可采用时间选通技术，消除低层大气的瑞利散射噪声干扰，实现高信噪比的波前探测，同时还能避免激发钠层原子出现过饱和效应、降低回波效率、影响钠导引星亮度，被天文学界称为先进的钠信标激光。此外，钠信标激光器还需适应高海拔天文观测台址的气候环境条件，具有高稳定性、高可靠性、长寿命、高效小体积和易操作性等。上述这些性能指标相互制约，同时实现的技术难度很大。2 钠信标激光技术发展状况
目前，钠信标激光器主要发展了染料激光器、光纤激光器、固体激光器及半导体激光器等类型。早期主要采用染料激光技术，可直接调谐实现589 nm激光输出，但是其工作介质为液体，高功率困难且使用不便，主要用于初期的实验研究。光纤激光器具有效率高、体积小、可靠性高等优点，采用光纤激光拉曼频移再倍频技术是产生钠信标激光的有效手段。2009年，欧洲南方天文台与德国Toptica公司合作，采用了1178 nm半导体激光作为种子源，经光纤拉曼激光放大器放大，再注入到环形共振增强腔进行倍频，如图2所示，获得了25 W的连续波单频589 nm激光，2010年，进一步采用三路1178nm光纤拉曼激光相干合成，获得589 nm激光输出50.9 W；国内方面，中科院上海光机所采用光纤激光拉曼频移再倍频方案，2014年获得了52.7 W连续波钠信标激光输出。
图2 光纤激光拉曼频移再倍频的钠信标激光器
固体激光具有功率高、结构紧凑、运转方式灵活等优势，采用Nd:YAG晶体的1064nm与1319 nm两条谱线的激光和频方案可得到与钠原子共振的589 nm黄光输出，是获得高功率钠信标激光的主要技术手段。典型结果包括，2005年美国空军实验室报道了50 W级连续波钠信标激光；2010年美国洛克希德.马丁技术公司分别为Keck和GeminiSouth天文台研制出功率为20 W级和50 W级的连续波锁模皮秒脉冲钠信标激光器；2004年美国芝加哥大学研制出10 W级的微秒脉冲锁模皮秒脉冲激光器；2008年中科院理化所获得了30 W级微秒脉冲钠信标激光输出，进一步采用偏振时序合成技术，获得了108 W激光输出。如图3所示。
图3 1064 nm与1319 nm和频钠信标固体激光器方案示意图
半导体激光器具有电光效率高、体积小、波长可调谐、稳定性好等特点，具有产生高效小型化钠信标激光其的潜力。2003年，德国乌尔姆大学提出将光泵垂直腔面发射1178 nm半导体激光倍频产生钠信标激光的技术方案，如图4所示，初步获得了15 mW连续波589 nm激光输出；2014年芬兰坦佩雷理工大学也采用OP-VECSEL倍频方案，获得了10 W级连续波589 nm激光输出，进一步通过腔内插入双折射滤波片与标准具压窄激光线宽，获得了波长589.16nm、功率1.7 W、线宽约20 MHz的钠信标激光输出。
图4 光泵垂直腔面发射半导体激光腔内倍频方案示意图
3 中国科学院理化技术研究所钠信标激光技术研究进展
中国科学院理化技术研究所提出并采用了1064 nm与1319 nm Nd:YAG激光振荡放大再腔外和频的技术方案，开展了高重频微秒脉冲钠信标激光研究，获得了589 nm钠信标激光输出平均功率65 W，相应和频效率为27%，光束质量M2=1.38，波长稳定性约0.25 GHz，脉冲宽度约120 μs，重复频率500 Hz。采用电光调制方案实现双峰谱型激光，光谱如图5所示，双峰谱线频率间隔1713 MHz（D2a和D2b能级间隔），单峰线宽约0.3 GHz，主频和边频的功率比可调节。
与中科院光电所合作，将双峰谱型微秒脉冲钠信标激光器用于丽江1.8 m望远镜上，进行激光导引星实验研究，优化钠信标激光器的参数，获得高亮度的钠导引星。由于激光光束质量与当地大气的视宁度，在天空中产生了最小光斑尺寸为4.6″的激光导引星。激光钠导引星最大光子回波强度时激光波长位于589.158～589.159 nm之间，即钠D2a线范围，光子回波的次极大值出现在589.1568 nm波长附近，即钠D2b线范围。圆偏振光比线性偏振光的钠导星回波光子数提高42％以上。
图5 钠信标激光D2a和D2b双峰光谱测量
图6 钠导引星光子回波强度随调制比的变化
通过改变电光调制深度，分别研究了当5％、10％和15％激光能量转移到D2b线时钠导引星回波强度的变化，每组测试情况连续拍摄20帧图像，如图6所示。可以看出，钠D2a和D2b双峰谱线激发比单峰时，钠导引星的光子回波强度有明显提高。当10％激光功率调谐至D2b线再抽运时，观察到了最大光子回波，比单峰时提高了约39％，这与理论模拟结果基本一致。
4 钠信标激光发展趋势
1）近年来随着半导体激光技术的迅猛发展，采用半导体激光倍频技术产生钠信标激光成为可能，它具有电光效率高、结构紧凑、体积小、可靠性高、寿命长等特点，是当前钠信标激光发展的热点之一。2）发展能够充分高效激发钠层全部原子的钠信标激光技术，理论计算表明，这要求发展平均功率达kW级的完全匹配钠D2谱线的钠信标激光器。3）发展多色激光钠导引星技术，可根据两种或两种以上波长的钠导引星回波信号，获得大气造成的波前倾斜像差，从而完全消除对自然导引星的依赖，真正实现100%的全天区覆盖率。
5 总 结
钠信标激光器已成为大型地基光学望远镜克服大气扰动影响必不可少的关键设备。从20世纪80年代至今，钠信标激光器已发展了染料激光器、光纤激光器、固体激光器和半导体激光器等，目前采用光纤拉曼激光倍频技术和固体激光和频技术都已实现了50 W级以上钠信标激光输出，并逐渐广泛应用于世界各大型地基望远镜系统。本实验室提出了固体激光振荡放大再腔外和频的技术方案，研制出了匹配钠D2线双峰谱型的微秒脉冲钠信标激光器，并应用于国内外大型望远镜上。
中科院理化所激光中心一直从事激光技术研究，至今已达50 多年，从上世纪八十年代开始几乎与国外同步开展固体激光技术研究，在自然基金、863、973、中科院等重要项目支持下，从深紫外（165 nm）到中红外（12 μm）固体激光方面取得了一系列国际先进/领先的研究成果，曾获得国家发明二等奖、科技进步二等奖、中科院发明一等奖等多项奖励，发表学术文章500 余篇，拥有发明专利100 多项，培养博士和硕士100余人。
目前，激光中心拥有高功率固体激光及其变频技术研究的人才队伍，总人数达240 多人，包括院士1 人、研究员12人、副研究员18人，其学科与专业覆盖激光物理与技术、非线性光学、电子、自控、机械、模拟与仿真、软件设计等方面，还包括机械、电子、电工、计算机等方面的工程技术人员200多人。
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