钠信标光源研究进展 中国科学院理化技术研究所 2010年8月27日

目 录 一、简介—钠信标及光源 二、TMT钠信标光源的要求 三、国内外研究现状 四、研究进展——理化所激光中心 目 录 一、简介—钠信标及光源 二、TMT钠信标光源的要求 三、国内外研究现状 四、研究进展——理化所激光中心 五、研究计划——理化所激光中心

一、简介——钠信标 激光导引星——自适应光学系统： 校正光经过大气传输产生的相位畸变 提高空间目标成像分辨率 自然亮星 第一代人造导引星 —— 瑞利信标 海拔～20km 第二代人造导引星 —— 钠 信 标 海拔～100km

一、简介——钠信标光源 全面而严格 热点和难点 钠层特性： 饱和能流：200 W·m-2 产生高度：80~110km 光谱宽度：1~3 GHz 共振波长：589.159nm 偏振吸收 钠信标光源技术要求： 高平均功率 ：20W以上 高光束质量 ：衍射极限 极 窄 线 宽 ：< 3GHz 波长精确调控: Na D2线 高 偏 振 度 : >98% 工程化要求： 高稳定性与可靠性 长寿命与易操作性等 全面而严格 热点和难点 Na原子D2线光谱

二、TMT钠信标光源的要求 LGSF Launch Telescope behind secondary ~50m Beam Transfer Optics Optical Path with 109 total actuators. BTO Optical Path 钠导星星座 Lasers working in variable gravity orientation. Limited space. Lasers attached to -X Elevation Journal

二、TMT钠信标光源的要求 钠信标激光器系统 传输光学系统 发射望远镜系统

二、TMT钠信标光源的要求 全面严格的工程化要求 TMT对钠信标激光功率总体要求 单台钠信标激光器的主要性能指标 “The NFIRAOS asterism consists of six 25W-LGS, therefore a total of at least 150W is required to produce the NFIRAOS asterism” “Each individual Laser Head shall provide a coupling efficiency of at least 130 photons-m2/s/W/ion with the mesospheric sodium layer” 单台钠信标激光器的主要性能指标 输出功率 : > 25 W 激光波长 : Na-D2 line 激光线宽 : < 3 GHz 光束质量 : ~1 DL 线偏振度 : 98% 全面严格的工程化要求 * DL - Diffraction Limit

三、国内外研究现状 —— 钠信标激光源 激光器种类 技术路线 特点 全固态激光器 （50W） 1064nm＋1319nm和频 三、国内外研究现状 —— 钠信标激光源 激光器种类 技术路线 特点 全固态激光器 （50W） 1064nm＋1319nm和频 运转方式：cw/s/ps 功率扩展潜力大>50W 已实用化：稳定性、可靠性、寿命、可维护性等 1064nm＋Raman＋倍频 1064nm＋倍频＋Raman 光纤激光器 Raman＋倍频 运转方式：cw 较低功率时系统紧凑 尚未实用化 938nm＋1583nm和频 1178nm＋倍频 染料激光器 532nm泵浦RD6G 全激光过程，调谐方便 液体介质,系统复杂,不方便 气体激光器 电泵或光泵Na蒸汽 探索阶段

三、国内外研究现状 —— 钠信标激光源 全固态和频激光技术方案：美国 589nm 1064nm种子注入锁定Nd:YAG激光器 外腔 和频 三、国内外研究现状 —— 钠信标激光源 全固态和频激光技术方案：美国 1064nm种子注入锁定Nd:YAG激光器 589nm 外腔 和频 1319nm种子注入锁定Nd:YAG激光器 输出功率：50 W 激光波长：589.159 nm 光束质量：近衍射极限 激光线宽： 1 MHz 运转方式：CW

三、国内外研究现状 —— 钠信标激光源 全固态和频激光器：实用化 美国50W和频钠信标激光器 Starfire试验场3.5m望远镜

四、研究进展 — 理化所激光中心 —— 全固态钠信标激光器 四、研究进展 — 理化所激光中心 —— 全固态钠信标激光器 1, 总体技术路线： 功率发展潜力大的全固态Nd:YAG和频激光技术 1064nm种子激光+多级多程放大 和频＝>589nm激光 1319nm种子激光+多级多程放大 2, 运转方式: 准连续s脉冲激光

四、研究进展 ——全固态钠信标激光器 准连续s脉冲激光的优势： 准连续s脉冲激光的优势： 与连续波激光相比，提供门脉冲选通 提高信噪比： 四、研究进展 ——全固态钠信标激光器 准连续s脉冲激光的优势： 准连续s脉冲激光的优势： 105km 钠导星 与连续波激光相比，提供门脉冲选通 提高信噪比： 消除瑞利散射干扰 提高成像精度： 减小钠导星像斑拉长 85km 瑞利散射 钠导星与瑞利散射

四、研究进展 准连续s脉冲激光的优势： s脉冲激光产生的钠导引星有效亮度相当于2倍以上连续波激光 法国-加拿大夏威夷天文台长来访

四、研究进展 准连续s脉冲激光的优势： 在美国palomar 5m望远镜的试验中完全消除了瑞利散射背景, s 脉冲激光是下一代信标光源的要求 美国通过反复试验确定了s 脉冲激光最佳参数 美国Palomar望远镜及其激光器

四、研究进展 ——全固态钠信标激光器 TMT AO技术组认为： Brent Ellerbroek Corinne Boyer 四、研究进展 ——全固态钠信标激光器 TMT AO技术组认为： “Laser beams projection from behind M2 to minimize LGS elongation.” “but issues remain-Magnetic field orientation, photon recoil……” “Other laser technologies (s-pulsed lasers, ms-pulsed lasers) not currently available at or near TMT power level” “TIPC is one of the world leaders in R&D for Diode Pump Solid State Lasers” Brent Ellerbroek Corinne Boyer

四、研究进展 ——全固态钠信标激光器 TMT的要求指标 我们已达到的指标 DL与M2相当 输出功率 : > 25 W 四、研究进展 ——全固态钠信标激光器 TMT的要求指标 我们已达到的指标 输出功率 : > 25 W 激光波长 : Na D2线 激光线宽 : < 3 GHz 光束质量 : ~1 DL 线偏振度 : 98% 输出功率：15.8W 激光波长：Na D2线 激光线宽：0.4GHz 光束质量：M2 ＝1.2 线偏振度：> 99% 重复频率：kHz 可调 脉冲宽度：s 可调 DL与M2相当

四、研究进展 — 理化所激光中心 自主掌握 核心技术 通过多年的努力, 已突破一系列关键技术 光、机、电综合技术，包括激光技术、非线性光学技术、精密自控技术、长期稳定运转技术等。

四、研究进展 —— 全固态钠信标激光器 1、可调谐单频种子源 1064nm 种子源： 1319nm 种子源： 输出功率：1.1 W 四、研究进展 —— 全固态钠信标激光器 1、可调谐单频种子源 1064nm 种子源： 输出功率：1.1 W 光束质量：M2＝1.14 激光线宽：41 MHz 调谐范围：48 GHz 1319nm 种子源： 输出功率：0.58 W 光束质量：M2＝1.15 激光线宽：150 MHz 调谐范围：13 GHz 种子源实验装置 种子源激光器

四、研究进展 —— 全固态钠信标激光器 1064nm种子源光束质量 Mx2=1.15，My2=1.13，线宽约41MHz 激光线宽测量结果 四、研究进展 —— 全固态钠信标激光器 1064nm种子源光束质量 Mx2=1.15，My2=1.13，线宽约41MHz 光束质量测量结果 激光线宽测量结果

四、研究进展 —— 全固态钠信标激光器 1319nm种子源光束质量 Mx2=1.17，My2=1.14，线宽约150MHz 激光线宽测量结果 四、研究进展 —— 全固态钠信标激光器 1319nm种子源光束质量 Mx2=1.17，My2=1.14，线宽约150MHz 光束质量测量结果 激光线宽测量结果

四、研究进展 —— 全固态钠信标激光器 2、窄线宽激光放大技术 1064nm MOPA系统： 1319nm MOPA系统： 四、研究进展 —— 全固态钠信标激光器 2、窄线宽激光放大技术 1064nm MOPA系统： 输出功率：55 W 光束质量：M2＝1.37 激光线宽：< 0.4 GHz 调谐精度与调谐范围：不变 1064nm Laser 1319nm MOPA系统： 输出功率：36 W 光束质量：M2＝1.34 激光线宽：< 0.4 GHz 调谐精度与调谐范围：不变 1319nm Laser

四、研究进展 —— 全固态钠信标激光器 2、窄线宽激光放大技术 1064nm MOPA系统光束质量 Mx2=1.35， My2=1.40

四、研究进展 —— 全固态钠信标激光器 2、窄线宽激光放大技术 1319nm MOPA系统光束质量 Mx2=1.36， My2=1.33

四、研究进展 ——全固态钠信标激光器 获得的主要技术指标： 3、Nd:YAG激光和频： 平均功率：15.8W 激光线宽：0.4GHz 四、研究进展 ——全固态钠信标激光器 3、Nd:YAG激光和频： 获得的主要技术指标： 平均功率：15.8W 激光线宽：0.4GHz 光束质量：M2 ＝1.2 激光光谱：Na D2线 线偏振度：> 99% 重复频率：kHz 可调 脉冲宽度：s 可调

四、研究进展 ——全固态钠信标激光器 光束质量测量结果 M2X 1.20 M2Y 1.19 at 15.8 W 光束质量分析仪

四、研究进展 ——全固态钠信标激光器 激光线宽测量结果 Linewidth at 15.8 W < 0.7GHz 激光波长线宽测量仪

四、研究进展 ——全固态钠信标激光器 钠信标激光波长检验与校准 Na激光脉冲信号 Na共振荧光信号 钠光谱灯检波器 kHz/s脉冲信号

四、研究进展 —— 钠信标实验 ~100km 钠导引星 当激光波长对准钠原子D2线时，将产生钠信标，由CCD成像。 全固态钠信标 激光器系统 四、研究进展 —— 钠信标实验 ~100km 钠导引星 当激光波长对准钠原子D2线时，将产生钠信标，由CCD成像。 瑞利散射 全固态钠信标 激光器系统 发射系统 接收成像系统 合作单位：中科院光电所

四、研究进展 —— 钠信标实验 人造星—钠信标 激光器系统 CCD对钠信标成像 发射系统 接收成像系统 合作单位：中科院光电所

五、研究计划 ——全固态钠信标激光器 目前已达到的技术指标： 平均功率：15.8 W 激光线宽：0.4 GHz > 25W 五、研究计划 ——全固态钠信标激光器 目前已达到的技术指标： 平均功率：15.8 W 激光线宽：0.4 GHz 光束质量：M2 ＝1.2 激光光谱：Na D2线 线偏振度：> 99 % 重复频率：kHz 可调 脉冲宽度：s 可调 > 25W 2011年初 高效和频技术

五、研究计划 —— 激光器工程化研究（1） TMT LGSF Requirements Achievements 五、研究计划 —— 激光器工程化研究（1） TMT LGSF Requirements The short-term (in 5–minutes) power stability : better than 3% The long-term (in 12–hours) power stability : better than 15% Bias pointing accuracy between high and low power beams: ≤ 25 mrad Pointing jitter: ≤ 3 mrad (RMS) Long term (12h) drift: ≤ 100 mrad Achievements Improve the mechanical stability The optical elements are fixed on the bracket which made of invar alloy. The mirror mounts are fixed and monolithic and eternalign. The frequency stabilization controller is improved. The laser cavity is sealed and airproof. ……

五、研究计划 —— 激光器工程化研究（2）

五、研究计划 —— 激光器工程化研究（3）

五、研究计划 —— 激光器工程化研究（4）

五、研究计划 —— 激光器工程化研究（5）

五、研究计划 —— 激光器工程化研究（6）

五、研究计划 —— 激光器工程化研究（7）

五、研究计划 —— 激光器工程化研究（8）

五、研究计划 —— 激光器工程化研究（9）

五、研究计划 —— 激光器工程化研究（10）

五、研究计划 —— 激光器工程化研究（11） Reliability satisfy the requirements 五、研究计划 —— 激光器工程化研究（11） 其他要求： Reliability satisfy the requirements Safety & Maintainability satisfy the requirements Interface satisfy the requirements Laser Sequencer and Controllers with software satisfy the requirements …

五、研究计划 —— 全固态钠信标激光器 2010-2011: 全面达到指标，初步工程化与钠信标试验 五、研究计划 —— 全固态钠信标激光器 2010-2011: 全面达到指标，初步工程化与钠信标试验 2012-2014: Improvements on engineering of laser system, fabrication and inspection of the first prototype, the online test with the entire system, fabrication and inspection of the final prototype (2012, 9, Vendor proposal) 2015-2017: Fabrication of seven LGS laser systems, and online integration with the entire system 2018: Launching of the TMT system.

五、研究计划 —— 全固态钠信标激光器 2010-2011年度研究进度

谢谢！