鈉導星雷射器研究進展

2020-12-08 OFweek維科網

　　圖1中，抽運源採用波長為510nm的銅蒸氣雷射器，染料雷射器採用鏈路式功率定標放大結構，整個雷射器耗能約200kW，雷射頭(不含電源、制冷機)佔地面積約15m2。該雷射器在鈉層的峰值功率密度遠超過了鈉原子的飽和光強，實際應用中並不需要如此高的平均功率。LLNL基於上述雷射器原理為Keck天文臺和Lick天文臺完成了20W級和100W級緊湊型染料導星雷射器的研製。

　　1996年，德國的Max-Planck研究所為CalarAlto天文臺成功開發出ALFA染料雷射器。它採用30W的514nmAr離子雷射器作為抽運源，染料介質為若丹明6G，最高獲得了4.5W的近衍射極限連續單頻鈉導星雷射。同時為了實現輸出雷射譜線與鈉D2a的精確對準，還採用主動穩頻及譜線閉環控制措施。

　　圖2Parsec染料雷射器光路示意圖

　　2004年，Max-Planck研究所與歐洲南方天文臺合作，對ALFA鈉導星雷射器進行了升級改進，用結構緊湊的固體532nm雷射器取代Ar離子雷射器，研製成功效率更高、結構更緊湊的Parsec染料鈉導星雷射器。圖2為Parsec染料鈉導星雷射器原理示意圖。該雷射器從設計、試驗到集成共耗費3年時間，主要由一個主雷射器和一個環形諧振腔放大器組成，並採用5個10W的532nm商用固體雷射器作為抽運源，最高輸出20W的連續單頻鈉導星雷射，光束質量因子M2<1.15，線寬小於10MHz。由於532nm更靠近若丹明6G的吸收峰，可以獲得更高的轉換效率，因此Parsec雷射器的光光轉換效率高達40%，比ALFA雷射器提高了近兩倍。圖3為集成化的Parsec雷射器照片，左邊為主振蕩器，右邊為環形諧振腔從放大器。整個雷射器佔地面積約為2.2m2，已經達到了可與固體雷射器相比擬的尺寸。

圖3 Parsec雷射器染料重置照片

　　然而，由於染料雷射器安全性差、易退化變質、循環冷卻複雜、長期工作不穩定等固有缺陷限制，近年來其在鈉導星雷射器領域的應用逐漸被固體雷射器和光纖雷射器取代。

　　2、固體雷射器

　　目前，在固體雷射器增益介質中，尚未找到可以直接發射589nm或者1178nm的材料，因此只有將固體雷射器與非線性頻率變換技術(和頻、受激拉曼散射或光參量放大器)相結合才能產生鈉導星雷射。

　　2.1、和頻雷射器

　　和頻鈉導星雷射器在20世紀90年代初期由麻省理工學院林肯實驗室研究人員發明，在美國空軍和陸軍的聯合支持下，他們以閃光燈作為抽運源，分別研製完成0.5J，10Hz和24mJ，840Hz的兩臺鈉導星雷射器。進入20世紀90年代中後期，隨著高效緊湊的二極體抽運源技術的快速發展，二極體抽運的固體和頻雷射器逐漸佔據主導地位，目前已廣泛應用於世界上最先進的天文臺。

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