[发明专利]一种产生高平均功率高重复频率脉冲钠信标激光的装置

说明书

技术领域

本发明属于固体激光器领域，特别涉及一种产生高平均功率高重复频率脉冲钠信标激光的装置。

技术背景

大型地基望远镜对天体等空间目标进行观测时，由于大气湍流等的扰动影响，将极大地降低成像分辨率。采用自适应光学技术可以对这些扰动因素进行校正，使望远镜达到理论衍射极限分辨率，这对于理论衍射极限分辨率极高的大口径天文望远镜尤其必要。采用自适应光学系统进行图像校正时，需要有导引星（称为信标），即在距离地面一定高度处产生或寻找一较强的光源，以之发射的光信号波前为标准，通过测量该波前通过大气产生的相位畸变来获得误差信号，从而实现对观测目标的成像校正，信标可以按产生方式分为自然导信标与人造信标。满足信标亮度要求的自然亮星很少，为了克服自然导引星的限制，最有效的方法是人为制造一颗导引星，即通过激光信标技术，由地面发射激光，利用大气对激光的背向散射光作为人造参考信标。

激光信标技术当前主要有瑞利信标和钠信标两种。其中，瑞利信标是在海拔10~20km高的大气中产生的，源于大气对532nm波长绿激光的背向散射，瑞利信标的优点是技术较为成熟，易于实现，所用激光器的性能是一些商用产品所能达到的，但它仅能在距地面较低距离产生激光导引星，校正效果有限；钠信标是利用海拨90~110km高的大气电离层的钠原子对589nm波长黄激光的共振荧光背向散射产生的，钠信标以其较高的位置（已接近大气顶层）、在进行波前重构时，能够更充分的反映大气对波前的影响，提高成像空间分辨率，使其接近或达到大口径望远镜的光学衍射极限，因而是自适应光学望远镜的理想信标。

实际应用中，自使用光学系统对钠信标光源性能有特定要求，其波长应精确调谐到钠原子的D_2a共振谱线即真空波长为589.159nm且频率稳定，其次要求激光线宽窄（<1.2GHz），光束质量好（M²<1.5），功率高（一般要求>10W），偏振度好（98%）。对于常规的天文观测应用，系统应该有较高的可靠性、耐用性及集成化，能够符合这些要求的589nm激光器称之为钠信标激光器。

目前国际上钠信标激光器主要包括，连续波钠信标技术（第一代钠信标技术）与脉冲钠信标技术（第二代钠信标技术）；与连续波运行体制的钠信标激光相比，脉冲钠信标技术具有明显的优势：能够通过门脉冲时间选通技术，完全消除大气瑞利散射的干扰，提高钠信标信号的信噪比，并减小钠导引星像斑拉长现象，提高钠导引星成像精度，因此采用脉冲钠信标技术，能够使自适应光学系统实现更好的校正效果，获得更高分辨率的观测图像。

用于产生钠信标的激光器主要有染料激光器、光纤激光器及全固态激光器，随着激光技术的不断发展，各类钠信标激光器的性能都在不断的提高。

染料激光器可以直接产生589nm黄光，其最早完成了钠信标激光器的商业化，并且在上世纪八十年代中期就被广泛使用。染料激光器技术较为成熟，应用广泛，但也存在着明显的缺点：染料激光器系统复杂庞大，集成较为困难且光谱覆盖较小，因此，随着全固态激光器的进一步发展，染料激光器在某些科研及生产中的地位已被结构紧凑、光谱覆盖广的新激光技术逐步替代。拉曼光纤激光器也是输出钠信标激光的有效手段，通过光纤激光器的拉曼频移技术首先得到合适波长的基频，而后采用非线性晶体或准相位匹配晶体倍频得到589nm黄光。但做为用于产生钠导星的光源，其功率进一步提升相对困难，且其是在连续波方式下运转，若采用光纤拉曼法获取准连续脉冲方式运转的第二代钠信标光源，由于峰值功率的提高，线宽压窄仍然受限于光纤的受激布里渊散射和高阶斯托克斯散射，性能上还有一定的不足。全固态激光器是目前国际上激光技术研究的热点。以掺钕离子的晶体为激光介质的固体激光器通过倍频已获得了高功率的红、绿、蓝三基色输出，然而在黄光波段（550nm-650nm）由于缺少相应的基频光，还不能通过倍频的方式直接获得。使用两个分别运转在1064nm和1319nm的Nd:YAG激光器，通过非线性和频过程可以得到与Na原子D₂线共振的589nm黄光输出。