新型高平均功率脉冲钠信标激光器技术研究

　　人造信标是指利用地面上发射的特定激光器在大气层产生的人造导引星。在天文学目标探测和成像领域，为了提高大型望远镜的成像分辨率，则需用人造信标对大气湍流引起的波前畸变进行探测和自适应光学校正。人造信标通常包含两种：钠信标和瑞利信标。由于钠信标产生高度位于大气层90km~100km，远高于早期应用的瑞利信标(高度10km~20km)，能够为自适应光学系统提供全程大气畸变信息，因此是当前最为理想的人造信标。

　　高性能钠信标激光器是产生高亮度钠信标的首要前提。根据共振吸收后向散射产生钠信标的原理以及钠原子柱密度起伏变化大的特点，钠信标激光器必须具备谱线控制精准、高平均功率、高光束质量等性能。由于各种激光介质中仅有染料能直接激射产生钠信标激光，但染料激光器又存在强污染、体积庞大、可靠性差等固有缺陷，因此，自1987年首次报道钠信标激光器以来，寻求和发展同时满足技术指标要求和工程实用化要求的钠信标激光器，一直是科学家们攻关研究的难点和热点。

　　本项目基于对钠信标产生物理机理和系统总体技术深入研究，科学选取了与国内外主流的连续体制钠信标激光器截然不同的脉冲体制钠信标激光作为发展路线，并基于1064nm与1319nm两台全固态激光器非对称性注入(两者亮度之比约6.4:1)片状LBO晶体腔外和频，实现平均功率达81W、单脉冲能量325mJ、光束质量M2<1.3、中心波长589.1591nm、线宽小于1GHz、脉宽约150μs钠信标激光输出。这是目前国际上平均功率最高的全固态钠信标激光器。同时，提出了“0+2=2”模式的新型谱线控制方法(即采用一台单纵模激光器与一台多纵模激光器将钠信标激光器中心波长、线宽的控制措施分离)，并基于电光相位调制技术和高速PZT驱动技术，在国际上首次实现了同时具备线宽调谐与频率啁啾功能的新型钠信标激光谱线结构。

　　(1) 提出了非对称性注入和频产生钠信标激光的设计思想，在传统对称性注入和频理论基础上结合1064nm与1319nm基频激光在量子转化与热效应方面差异性特点，采取了二者在脉冲能量、光束质量、时间波形均不对称的设计方法，有效克服了1319nm激光综合性能远不及1064nm激光的物理缺陷，基于600mJ、M2~1.8、匀滑时间波形的1064nm激光，与400mJ、M2~3.0、弛豫振荡波形的1319nm激光(两者亮度之比约6.4:1)腔外和频，成功实现世界最高平均功率、近衍射极限光束质量全固态钠信标激光器。

　　(2) 提出并采取了“0+2=2”模式的新型钠信标激光谱线控制方法，通过一台单纵模激光器(1064nm)与一台多纵模激光器(1319nm)将钠信标激光器中心波长、线宽的控制措施分离，前者控制中心波长，后者控制线宽，有效解决了钠信标激光器中心波长、线宽均需高精度控制的技术难题。并且基于电光相位调制技术对单纵模1064nm激光线宽进行展宽，成功实现钠信标激光线宽的调制展宽，即在亚GHz线宽多纵模精细结构中，每个分立的纵模均可实现100MHz~ 500MHz的展宽。

　　(3) 结合温度与压电陶瓷(PZT)波长调谐技术、高精度波长探测技术以及PID反馈控制算法，有效解决了脉冲钠信标激光因模式竞争中心频率跳变较快的技术难题，实现了脉冲钠信标激光中心波长的精确闭环和高速周期性扫描(又称频率啁啾)，在589.1591nm处长时间波长对准精度优于±0.15pm(PV值)，啁啾幅度150MHz，带宽5~20kHz。该结果已接近测量设备极限±0.06pm。

　　(4) 在1064nm与1319nm基频激光器中，采用了光纤放大器与棒状固体放大器相结合的多级多程链路式放大技术，集成光纤与块状固体两种放大器的优点，并在传统热致像差补偿基础上提出了多级串联棒状泵浦模块像差互补偿技术，实现总脉冲能量大于1.5J(实际用于和频的脉冲能量为1J)、高光束质量的基频激光输出。

　　(5) 采用了低热高效片状和频晶体远场和频技术，大幅降低了高功率加载时LBO晶体热梯度，有效抑制了影响和频效率的温度相位失配效应，实现了32.5%的和频转换，此项技术指标达到国际先进水平。