人造信標(biāo)是指利用地面上發(fā)射的特定激光器在大氣層產(chǎn)生的人造導(dǎo)引星。在天文學(xué)目標(biāo)探測和成像領(lǐng)域，為了提高大型望遠(yuǎn)鏡的成像分辨率，則需用人造信標(biāo)對(duì)大氣湍流引起的波前畸變進(jìn)行探測和自適應(yīng)光學(xué)校正。人造信標(biāo)通常包含兩種：鈉信標(biāo)和瑞利信標(biāo)。由于鈉信標(biāo)產(chǎn)生高度位于大氣層90km~100km，遠(yuǎn)高于早期應(yīng)用的瑞利信標(biāo)(高度10km~20km)，能夠?yàn)樽赃m應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)提供全程大氣畸變信息，因此是當(dāng)前最為理想的人造信標(biāo)。
高性能鈉信標(biāo)激光器是產(chǎn)生高亮度鈉信標(biāo)的首要前提。根據(jù)共振吸收后向散射產(chǎn)生鈉信標(biāo)的原理以及鈉原子柱密度起伏變化大的特點(diǎn)，鈉信標(biāo)激光器必須具備譜線控制精準(zhǔn)、高平均功率、高光束質(zhì)量等性能。由于各種激光介質(zhì)中僅有染料能直接激射產(chǎn)生鈉信標(biāo)激光，但染料激光器又存在強(qiáng)污染、體積龐大、可靠性差等固有缺陷，因此，自1987年首次報(bào)道鈉信標(biāo)激光器以來，尋求和發(fā)展同時(shí)滿足技術(shù)指標(biāo)要求和工程實(shí)用化要求的鈉信標(biāo)激光器，一直是科學(xué)家們攻關(guān)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。
本項(xiàng)目基于對(duì)鈉信標(biāo)產(chǎn)生物理機(jī)理和系統(tǒng)總體技術(shù)深入研究，科學(xué)選取了與國內(nèi)外主流的連續(xù)體制鈉信標(biāo)激光器截然不同的脈沖體制鈉信標(biāo)激光作為發(fā)展路線，并基于1064nm與1319nm兩臺(tái)全固態(tài)激光器非對(duì)稱性注入(兩者亮度之比約6.4:1)片狀LBO晶體腔外和頻，實(shí)現(xiàn)平均功率達(dá)81W、單脈沖能量325mJ、光束質(zhì)量M2<1.3、中心波長589.1591nm、線寬小于1GHz、脈寬約150μs鈉信標(biāo)激光輸出。這是目前國際上平均功率最高的全固態(tài)鈉信標(biāo)激光器。同時(shí)，提出了“0+2=2”模式的新型譜線控制方法(即采用一臺(tái)單縱模激光器與一臺(tái)多縱模激光器將鈉信標(biāo)激光器中心波長、線寬的控制措施分離)，并基于電光相位調(diào)制技術(shù)和高速PZT驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具備線寬調(diào)諧與頻率啁啾功能的新型鈉信標(biāo)激光譜線結(jié)構(gòu)。
(1) 提出了非對(duì)稱性注入和頻產(chǎn)生鈉信標(biāo)激光的設(shè)計(jì)思想，在傳統(tǒng)對(duì)稱性注入和頻理論基礎(chǔ)上結(jié)合1064nm與1319nm基頻激光在量子轉(zhuǎn)化與熱效應(yīng)方面差異性特點(diǎn)，采取了二者在脈沖能量、光束質(zhì)量、時(shí)間波形均不對(duì)稱的設(shè)計(jì)方法，有效克服了1319nm激光綜合性能遠(yuǎn)不及1064nm激光的物理缺陷，基于600mJ、M2~1.8、勻滑時(shí)間波形的1064nm激光，與400mJ、M2~3.0、弛豫振蕩波形的1319nm激光(兩者亮度之比約6.4:1)腔外和頻，成功實(shí)現(xiàn)世界最高平均功率、近衍射極限光束質(zhì)量全固態(tài)鈉信標(biāo)激光器。
(2) 提出并采取了“0+2=2”模式的新型鈉信標(biāo)激光譜線控制方法，通過一臺(tái)單縱模激光器(1064nm)與一臺(tái)多縱模激光器(1319nm)將鈉信標(biāo)激光器中心波長、線寬的控制措施分離，前者控制中心波長，后者控制線寬，有效解決了鈉信標(biāo)激光器中心波長、線寬均需高精度控制的技術(shù)難題。并且基于電光相位調(diào)制技術(shù)對(duì)單縱模1064nm激光線寬進(jìn)行展寬，成功實(shí)現(xiàn)鈉信標(biāo)激光線寬的調(diào)制展寬，即在亞GHz線寬多縱模精細(xì)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)分立的縱模均可實(shí)現(xiàn)100MHz~ 500MHz的展寬。
(3) 結(jié)合溫度與壓電陶瓷(PZT)波長調(diào)諧技術(shù)、高精度波長探測技術(shù)以及PID反饋控制算法，有效解決了脈沖鈉信標(biāo)激光因模式競爭中心頻率跳變較快的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了脈沖鈉信標(biāo)激光中心波長的精確閉環(huán)和高速周期性掃描(又稱頻率啁啾)，在589.1591nm處長時(shí)間波長對(duì)準(zhǔn)精度優(yōu)于±0.15pm(PV值)，啁啾幅度150MHz，帶寬5~20kHz。該結(jié)果已接近測量設(shè)備極限±0.06pm。
(4) 在1064nm與1319nm基頻激光器中，采用了光纖放大器與棒狀固體放大器相結(jié)合的多級(jí)多程鏈路式放大技術(shù)，集成光纖與塊狀固體兩種放大器的優(yōu)點(diǎn)，并在傳統(tǒng)熱致像差補(bǔ)償基礎(chǔ)上提出了多級(jí)串聯(lián)棒狀泵浦模塊像差互補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)總脈沖能量大于1.5J(實(shí)際用于和頻的脈沖能量為1J)、高光束質(zhì)量的基頻激光輸出。
(5) 采用了低熱高效片狀和頻晶體遠(yuǎn)場和頻技術(shù)，大幅降低了高功率加載時(shí)LBO晶體熱梯度，有效抑制了影響和頻效率的溫度相位失配效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了32.5%的和頻轉(zhuǎn)換，此項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。
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