针对较强天光背景下基于暗弱钠导星的大气波前畸变像差实时探测需求，本文提出了一种综合滤波的主动式波前探测技术，完成了对该技术的理论分析、参数设计及探测能力预估，并将该技术应用于传统哈特曼波前探测器，开展了基于钠导星的大气波前畸变像差探测实验。在约10 W/（m²·sr）的天光背景条件下，实现了基于钠导星同步采样大气波前畸变像差的实时探测。本工作对实际钠导星自适应光学系统应用的工作时段扩展进行了有益尝试。

高功率、窄线宽 589 nm激光可激发海拔约 90 km处厚度约 10 km的钠层原子并产生后向散射荧光。基于 589 nm激光的钠导引星是地基光学望远镜自适应光学系统的理想信标光。介绍了激光与钠原子相互作用的谱线跃迁以及钠导星亮度增强技术, 论述了钠导星技术的重要应用以及 589 nm激光光源的分类和发展。

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。

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。

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。

报道了一台平均功率3.09 W、和频效率大于35%的周期极化化学计量比钽酸锂(PPSLT)晶体准相位匹配和频钠导星激光器。用声光调Q的二极管抽运Nd:YAG固体激光器产生高光束质量的基频光1064 nm与1319 nm,在腔内插入高精度控温的标准具获得窄线宽输出,并在腔外通过准相位匹配的PPSLT晶体和频产生钠导星激光。当注入PPSLT晶体的1064 nm和1319 nm总平均功率约8.80 W时,在匹配温度68 ℃时实现了最高和频转换,输出钠导星激光3.09 W,重复频率800 Hz,脉宽约60 ns,线宽约1.6 GHz。并通过调节控制标准具的倾斜角度和温度,将中心波长对准至钠D2a线589.1591 nm,偏差小于±0.2 pm。

报道了一台重复频率400 Hz、平均功率1.52 W的二极管抽运全固态钠导星激光器。利用两路声光调Q的1064 nm与1319 nm激光作为基频光, 并采用主从电源模式以及电子学延迟补偿技术实现两个调Q脉冲的时间同步, 然后在腔外通过一块LBO晶体和频产生了589 nm钠导星激光, 和频效率约达25.1％, 系统电光效率0.32%。为了实现中心波长与钠D2a线的锁定, 在1064 nm激光器内插入一块标准具, 并采用水冷控温, 通过调节控制标准具的倾斜角度和温度, 最终将中心波长对准至589.159 nm, 并且偏差小于±1 pm。

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。