基于钠层的 589 nm 激光导引星技术, 结合地基光学望远镜自适应光学系统, 可以有效补偿大气扰动造成的光信号波前畸变, 在天文观测、星地激光通信、空间碎片跟踪等诸多领域有着重要的应用前景。介绍了一种新型的 589 nm 钠导星激光器技术:金刚石拉曼钠导星激光器。金刚石晶体超高的热导率和无空间烧孔效应的增益特性是提高激光输出功率和实现单纵模运转的关键, 目前已获得 22 W 的连续波单频钠导星激光器输出。金刚石拉曼激光器技术提供了一种实现高功率钠激光输出的高效方案, 并为高功率微秒脉冲、高重频脉冲、频率啁啾等新型钠导星激光器系统提供了新的思路。

高亮度的钠导星是实现大气波前畸变精准探测的重要条件。已有研究表明,钠导星的后向共振荧光散射强度与大气传输效率、地磁场、季节、发射系统参数、接收系统参数和泵浦激光参数等诸多因素密切相关。脉冲型钠导星可有效提高自适应光学系统的波前探测信噪比。在多种激光参数泵浦模式下,开展了脉冲型钠导星回光强度的探测实验。基于高能量多纵模百微秒脉冲钠导星激光泵浦大气钠层,获取了一系列回光强度数据,与理论分析结果比较吻合。实验结果表明:泵浦激光谱线的精密控制是获得钠导星稳定回光强度的重要手段,基于圆偏振光双线展宽泵浦体制的钠导星工作模式是实现高效激发钠层原子并获得高亮度回光的有效途径。

自适应光学技术广泛应用于大型地基光学望远镜，以校正大气扰动造成的波前畸变，使望远镜达到近衍射极限分辨率，实现对观测目标的清晰成像。激光钠导引星作为自适应光学校正的信标源，是自适应光学望远镜的核心技术之一。介绍了589nm光抽运垂直外腔面发射半导体钠导引星激光器和掺Dy3+晶体作为增益介质直接发射589nm激光的固体激光器的最新研究进展。这些方案因其具有体积小、效率高、可靠性高、成本低、易维护等优势，被认为是新一代钠导引星激光器有潜力的发展方向。

采用硼酸锂(LBO)晶体腔外和频Nd∶YAG 1 064 nm与1319 nm激光获得了高功率准连续微秒脉冲钠导星激光。通过改进的欧拉方法数值模拟了和频过程的三波耦合方程, 优化了基频光的束腰大小与LBO晶体长度。为了提高和频效率, 通过像传递系统对两路基频光进行扩束整形实现了空间模式匹配, 通过精确控制触发延时实现了时域激光脉冲同步。研究了500, 600, 800及1000 Hz条件下的和频输出特性, 结果显示, 该条件下分别产生了53, 42.6, 27及22 W的589 nm激光输出, 相应的和频效率分别为21.8%, 20.3%, 16.9%和16.3%。 黄光最高功率时的光束质量因子M2为1.32, 脉冲宽度为100 μs。采用了PZT与步进电机复合控制系统进行稳频, 实现频率的波动为±0.2 GHz, 保证了黄光波长在钠原子D2a谱线的吸收谱内。该项研究为获取50 W级高功率准连续微秒脉冲钠导星激光提供了有效的技术支持。

望远镜是人类探索宇宙奥秘最重要的科学工具之一。大型地基光学望远镜对天观测时，大气扰动使星光波前畸变导致其实际分辨率大幅下降，是长期困扰高精度天文观测的重大科技问题。因此世界各大望远镜均在竞相发展自适应光学技术，以校正大气造成的波前畸变，使望远镜达到近衍射极限分辨率，这标志着地基光学望远镜正在进入自适应光学望远镜时代。激光钠导引星是用激光激发海拨约90 km电离层中的钠原子产生的人造亮星，作为自适应光学校正的信标源，是自适应光学望远镜的核心技术之一。文中介绍了激光钠导引星技术的原理、方法与国内外发展状况，尤其是该实验室采用的固体激光和频技术，实现了钠D2线光谱匹配和钠层激发匹配的微秒脉冲钠导引星激光，并在国内外大望远镜上使用获得成功。

钠导引星激光参数指标主要受到自适应光学系统的校正能力、大气条件、观测目标运动的时空特性、钠层非线性饱和效应等因素影响。在综合上述影响因素基础上，从自适应光学导引激光器的参数指标论证角度，给出了钠导引激光能量的计算公式，同时将信标视星等亮度引入到计算公式；分析给出了不同自适应光学望远镜系统口径条件下，能提供完整波前信息的钠导引星个数需求；重点分析了不同自适应光学预期校正效果、大气相干长度、观测俯仰角等对信标激光能量的影响；结合实际工程应用需求，模拟计算了特定条件下导引信标激光能量与信标视星等的关系。

介绍了钠导星激光器在自适应光学系统中的应用价值，分析了其指标特点及技术难点。按产生方式的不同，分别从染料激光器、固体激光器、光纤激光器3个方面阐述了钠导星激光器的发展历程及最新进展。染料钠导星激光器是最早获得工程应用的激光器，但由于体积较大、稳定性及可靠性较差等缺点逐渐遭到淘汰。固体钠导星激光器又分为和频(SFG)、受激拉曼散射(SRS)及光参量放大器(OPA)3种类型，其中和频方式应用最为广泛，科学家们已根据需要开发出宏微脉冲体制、连续单频体制及连续锁模体制的激光器，并已研制出平均功率50 W的商用产品。光纤钠导星激光器是近几年迅猛发展起来的一类新型激光器，尤其是基于拉曼光纤放大器倍频的连续单频钠导星激光器，输出功率已突破了50 W。

研制了一台重复频率400 Hz, 平均功率1.0 W的激光二极管抽运全固态窄线宽钠导星激光器。利用两路波长分别为1064 nm和1319 nm的声光(AO)调Q激光器作为基频光, 在腔外通过三硼酸锂(LBO)晶体和频产生(SFG)589 nm钠导星激光, 和频效率约达20％。每路基频光均采用标准具压窄线宽, 输出和频光线宽约1.8 GHz, 并调节控制标准具的温度和倾斜角度将中心波长锁定于589.159 nm(偏差±1 pm), 实现了激光器谱线与钠原子D2线的精确匹配。