《量子電子學(xué)報(bào)》 2020年第四期“激光大氣傳輸與探測(cè)”專輯封面文章：

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.

圖1  激光鈉信標(biāo)系統(tǒng)工作原理圖

1   鈉信標(biāo)激光的技術(shù)要求

2   鈉信標(biāo)激光技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

光纖激光器具有效率高、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，采用光纖激光拉曼頻移再倍頻技術(shù)是產(chǎn)生鈉信標(biāo)激光的有效手段。2009年，歐洲南方天文臺(tái)與德國(guó)Toptica公司合作，采用了1178 nm半導(dǎo)體激光作為種子源，經(jīng)光纖拉曼激光放大器放大，再注入到環(huán)形共振增強(qiáng)腔進(jìn)行倍頻，如圖2所示，獲得了25 W的連續(xù)波單頻589 nm激光，2010年，進(jìn)一步采用三路1178nm光纖拉曼激光相干合成，獲得589 nm激光輸出50.9 W；國(guó)內(nèi)方面，中科院上海光機(jī)所采用光纖激光拉曼頻移再倍頻方案，2014年獲得了52.7 W連續(xù)波鈉信標(biāo)激光輸出。

圖2  光纖激光拉曼頻移再倍頻的鈉信標(biāo)激光器

圖3  1064 nm與1319 nm和頻鈉信標(biāo)固體激光器方案示意圖

       半導(dǎo)體激光器具有電光效率高、體積小、波長(zhǎng)可調(diào)諧、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，具有產(chǎn)生高效小型化鈉信標(biāo)激光其的潛力。2003年，德國(guó)烏爾姆大學(xué)提出將光泵垂直腔面發(fā)射1178 nm半導(dǎo)體激光倍頻產(chǎn)生鈉信標(biāo)激光的技術(shù)方案，如圖4所示，初步獲得了15 mW連續(xù)波589 nm激光輸出；2014年芬蘭坦佩雷理工大學(xué)也采用OP-VECSEL倍頻方案，獲得了10 W級(jí)連續(xù)波589 nm激光輸出，進(jìn)一步通過(guò)腔內(nèi)插入雙折射濾波片與標(biāo)準(zhǔn)具壓窄激光線寬，獲得了波長(zhǎng)589.16nm、功率1.7 W、線寬約20 MHz的鈉信標(biāo)激光輸出。

圖4  光泵垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光腔內(nèi)倍頻方案示意圖

3   中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所鈉信標(biāo)激光技術(shù)研究進(jìn)展

       中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所提出并采用了1064 nm與1319 nm Nd:YAG激光振蕩放大再腔外和頻的技術(shù)方案，開展了高重頻微秒脈沖鈉信標(biāo)激光研究，獲得了589 nm鈉信標(biāo)激光輸出平均功率65 W，相應(yīng)和頻效率為27%，光束質(zhì)量M2=1.38，波長(zhǎng)穩(wěn)定性約0.25 GHz，脈沖寬度約120 μs，重復(fù)頻率500 Hz。采用電光調(diào)制方案實(shí)現(xiàn)雙峰譜型激光，光譜如圖5所示，雙峰譜線頻率間隔1713 MHz（D2a和D2b能級(jí)間隔），單峰線寬約0.3 GHz，主頻和邊頻的功率比可調(diào)節(jié)。

       與中科院光電所合作，將雙峰譜型微秒脈沖鈉信標(biāo)激光器用于麗江1.8 m望遠(yuǎn)鏡上，進(jìn)行激光導(dǎo)引星實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)化鈉信標(biāo)激光器的參數(shù)，獲得高亮度的鈉導(dǎo)引星。由于激光光束質(zhì)量與當(dāng)?shù)卮髿獾囊晫幎龋谔炜罩挟a(chǎn)生了最小光斑尺寸為4.6″的激光導(dǎo)引星。激光鈉導(dǎo)引星最大光子回波強(qiáng)度時(shí)激光波長(zhǎng)位于589.158～589.159 nm之間，即鈉D2a線范圍，光子回波的次極大值出現(xiàn)在589.1568 nm波長(zhǎng)附近，即鈉D2b線范圍。圓偏振光比線性偏振光的鈉導(dǎo)星回波光子數(shù)提高42％以上。

          圖5  鈉信標(biāo)激光D_2a和D_2b雙峰光譜測(cè)量

          圖6  鈉導(dǎo)引星光子回波強(qiáng)度隨調(diào)制比的變化

       通過(guò)改變電光調(diào)制深度，分別研究了當(dāng)5％、10％和15％激光能量轉(zhuǎn)移到D2b線時(shí)鈉導(dǎo)引星回波強(qiáng)度的變化，每組測(cè)試情況連續(xù)拍攝20幀圖像，如圖6所示?？梢钥闯觯cD2a和D2b雙峰譜線激發(fā)比單峰時(shí)，鈉導(dǎo)引星的光子回波強(qiáng)度有明顯提高。當(dāng)10％激光功率調(diào)諧至D2b線再抽運(yùn)時(shí)，觀察到了最大光子回波，比單峰時(shí)提高了約39％，這與理論模擬結(jié)果基本一致。

4  鈉信標(biāo)激光發(fā)展趨勢(shì)

   1）近年來(lái)隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，采用半導(dǎo)體激光倍頻技術(shù)產(chǎn)生鈉信標(biāo)激光成為可能，它具有電光效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是當(dāng)前鈉信標(biāo)激光發(fā)展的熱點(diǎn)之一。2）發(fā)展能夠充分高效激發(fā)鈉層全部原子的鈉信標(biāo)激光技術(shù)，理論計(jì)算表明，這要求發(fā)展平均功率達(dá)kW級(jí)的完全匹配鈉D2譜線的鈉信標(biāo)激光器。3）發(fā)展多色激光鈉導(dǎo)引星技術(shù)，可根據(jù)兩種或兩種以上波長(zhǎng)的鈉導(dǎo)引星回波信號(hào)，獲得大氣造成的波前傾斜像差，從而完全消除對(duì)自然導(dǎo)引星的依賴，真正實(shí)現(xiàn)100%的全天區(qū)覆蓋率。

5  總  結(jié)

   鈉信標(biāo)激光器已成為大型地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡克服大氣擾動(dòng)影響必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。從20世紀(jì)80年代至今，鈉信標(biāo)激光器已發(fā)展了染料激光器、光纖激光器、固體激光器和半導(dǎo)體激光器等，目前采用光纖拉曼激光倍頻技術(shù)和固體激光和頻技術(shù)都已實(shí)現(xiàn)了50 W級(jí)以上鈉信標(biāo)激光輸出，并逐漸廣泛應(yīng)用于世界各大型地基望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)室提出了固體激光振蕩放大再腔外和頻的技術(shù)方案，研制出了匹配鈉D2線雙峰譜型的微秒脈沖鈉信標(biāo)激光器，并應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外大型望遠(yuǎn)鏡上。

   中科院理化所激光中心一直從事激光技術(shù)研究，至今已達(dá)50 多年，從上世紀(jì)八十年代開始幾乎與國(guó)外同步開展固體激光技術(shù)研究，在自然基金、863、973、中科院等重要項(xiàng)目支持下，從深紫外（165 nm）到中紅外（12 μm）固體激光方面取得了一系列國(guó)際先進(jìn)/領(lǐng)先的研究成果，曾獲得國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)、科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中科院發(fā)明一等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)，發(fā)表學(xué)術(shù)文章500 余篇，擁有發(fā)明專利100 多項(xiàng)，培養(yǎng)博士和碩士100余人。

目前，激光中心擁有高功率固體激光及其變頻技術(shù)研究的人才隊(duì)伍，總?cè)藬?shù)達(dá)240 多人，包括院士1 人、研究員12人、副研究員18人，其學(xué)科與專業(yè)覆蓋激光物理與技術(shù)、非線性光學(xué)、電子、自控、機(jī)械、模擬與仿真、軟件設(shè)計(jì)等方面，還包括機(jī)械、電子、電工、計(jì)算機(jī)等方面的工程技術(shù)人員200多人。