（物理电子学专业论文）激光钠导星光源的研究.pdf

哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 摘要 随着激光技术的发展，激光钠导星系统光源的研究也在不断的取得突 破，使得自适应光学能够得到更好的应用。本文在总结国内外研究发展的基 础上，考虑到实际钠导星亮度的要求，推导出地面光源系统的激光能量的表 达式，使在钠导星光源的设计中有了理论依据。同时在各种激光钠导星的实 现方案中，选定采用波长分别为1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 n m 的n d ：y a g 激光器和频 的方法，得到5 8 9 n m 钠黄光输出。此方案具有高效率、高质量、小型化、 全固化等优点，也是当今钠导星光源的主要研究方向。在具体的实验设计 中，采用种子注入锁定放大技术，来获得单频、高功率的激光束，种子光源 方面采用半导体激光器抽运的单块非平面单向行波环形腔固体激光器。加入 磁场的激光二极管泵浦的单块非平面环形激光器以单向行波运转。激光二极 管的泵浦方式、单块的结构与单向振荡都是产生激光窄线宽的主要措旌。利 用琼斯矩阵理论，详尽地叙述了关于单块非平面环形激光器的本征偏振态综 合理论，导出本征值和本征偏振态的损耗差。引入光学等价定理，获得非平 面环形腔的偏振特性。解释了如何选择增益介质、磁场、输出耦合面、非平 面环形光路的几何形状等。并设计出一个单块非平面环形腔的激光器，并通 过计算加以验证。在实验方面对和频系统中的n d ：y a g 激光器进行具体实 验设计，并且对l d 泵浦的固体激光器进行了模拟实验，得到了激光器在整 体设计和温度控制等方面的数据，并加以分析，为进一步工作的开展提出了 方向与要求。 关键词激光钠导星：n d ：y a g 激光器；非平面环形腔；本征值 = ：一：= = 塑鎏呈：些奎兰三兰堡圭兰堡篁兰= = ：一：= ： a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a s e rt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c ho nt h el i g h ts o u r c e o fs o d i u ml a s e rg u i d es t a rh a v em a d et h ec o n s t a n tb r e a k t h r o u g h ，a n de n a b l et h e a d a p t i v eo p t i c st og e tb e t t e ra p p l i c a t i o n t h i st h e s i s ，c o n s i d e r i n go nt h eb a s i so f s u m m a r i z i n ga n ds t u d y i n gd e v e l o p m e n tb o t ha th o m ea n da b r o a d ，d e r i v et ot h e e x p r e s s i o nf o r m u l ao ft h ee n e r g yo fl i g h ts o u r c eo fs y s t e mo ng r o u n d , t h e r ea r e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n so ft h ed e s i g no fl i g h ts o u r c e w ec h o o s ea n da d o p tt h e s o u r c ew h i c hi sb a s e do ns u m - f r e q u e n c ym i x i n gt w oi n j e c t i o n - - l o c k e dn d ：y a g l a s e r si nar e s o n a n te x t e r n a lc a v i t y f o rt h i s a p p l i c a t i o n ，l o w p o w e rn o n p l a n a r r i n go s c i l l a t o r s ( n p r o ) a st h ei n j e c t i o ns e e dl o c k i n gt h e10 6 4 n m a n d13 19 n m l a s e r sa r ep a r t i c u l a r l yb e n e f i c i a l t h en p r ow i t ht h er e s o n a t o rc o n t a i n se n t i r e l y w i t h i nan d ：y a gc r y s t a l d i o d e l a s e r - p u m p e dm o n o l i t h i cn p r oi na na p p l i e d m a g n e t i cf i e l d c a n o p e r a t e a su n i d i r e c t i o n a lt r a v e l i n g w a v el a s e r s t h ed i o d e l a s e rp u m p i n g ，m o n o l i t h i cc o n s t r u c t i o n ，a n du n i d i r e c t i o n a lo s c i l l a t i o nl e a dt o n a r r o wl i n e w i d t hr a d i a t i o n ac o m p r e h e n s i v et h e o r yo ft h ee i g e n p o l a r i z a t i o n so f am o n o l i t h i cn p r oi s p r e s e n t e da n dt h ee i g e n p o l a r i z a t i o ns t a t e sa r ec a l c u l a t e d b y j o n e sm a t r i x u s e o p t i c a le q u i v a l e n c et h e o r e m s t o g a i ni n s i g h t i n t ot h e p o l a r i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h en p r o i ti se x p l a i n e dt h a th o wt h ep r o p e r t i e s o ft h ei n t e g r a lo p t i c a ld i o d et h a tf o r c e su n i d i r e c t i o n a lo p e r a t i o nd e p e n do nt h e c h o i c eo ft h eg a i nm e d i u m ，t h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l d ，t h eo u t p u tc o u p l e r ，a n d t h eg e o m e t r yo ft h en o n p l a n a rr i n gl i g h tp a t h t h en d ：y a gl a s e r su s e di ns n l t l f r e q u e n c yg e n e r a t i o na r ed e s i g n e di nd e t a i l s 。t h ep r o s p e c t sf o rf u r t h e rr e s e a r c h a r ed i s c u s s e d b y t h e a n a l y s i s a n dd a t u mw a s a c q u i r e d i nt h e s i m u l a t i v e e x p e r i m e n t s k e y w o r d s l a s e rg u i d es t a r ；n d ：y a gl a s e r ；n p r o ；e i g e n v a l u e 哈尔滨丁业大学t 学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 自适应光学中的激光导引星的产生背景与发展 激光导引星是将一束激光发射到要补偿的大气光路中，利用大气层中的 分子、原子和气溶胶等粒子对光产生的后向散射，在返回的途中携带有所需 光路像差信息的特点，通过白适应光学系统的波面探测器测量出所需的误差 信号，使自适应光学系统可以闭环工作，实现对大气湍流等环境因素对光学 系统造成的不利影响的补偿。 图1 - 1 自适戍光学发射望远镜示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f a d a p t i v eo p t i c a lt e l e s c o p e 如图1 1 所示，自适应光学系统有两个基本部分组成：波前探测和波前 改正。波前探测器用于测量出望远镜内由于大气湍流引起的波前相位起伏， 其测量结果用于控制变形镜作波前改正，以补偿波前相位畸变。为波前探测 器提供波前信号的可以是待测星体，或者是待测星体附近的引导星。根据自 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 适应光学的特点，太暗的待测星体不能提供足够的波前信号，这时候需要应 用自然的或者人造参考引导星。而这些引导星需要满足两个基本条件：f 1 ) 来自引导星的参考波前必须在待测天体的等晕角内；( 2 ) 引导星必须足够 亮，使它能为波前探测器提供适当的探测信号。但天空中可用导星的密度很 低，依靠天然导星工作的自适应望远镜在可见光波段进行天文成像时不能获 得满意地对天空观测的覆盖度。 用高能激光照射天空，将散射光作为人造参考信标的激光导星技术是 1 9 8 0 年由美国l i t t o ni t e k 光学公司的h u d g i n 首先提出。1 9 8 1 年美国自适 应光学协会的j f e i n l e i b 提出用后向瑞利( r a y l e i g h ) 散射产生人造信标， 即瑞利导星；同时美国光学科学公司的研究了激光引导星及其非等晕性问 题；紧接羞，w , h a p p e r 建议用空间钠层对激光的谐振散射产生钠导星。这 些建议很快得到军方支持并付诸实施，美国一些研究机构进行了一系列自适 应光学与激光导引星的研究，取得了重大进展。美国空军的p h i l l i p s 武器实 验室的f u g a t e 和其同事在位于新墨西哥州的s t a r f i r e 光学靶场于1 9 8 3 年用 后向瑞利散射人造信标进行了大气湍流测量；m i t 的林肯( l i n c o l n ) 实验 室则于1 9 8 4 年在夏威夷的m a u i 岛率先进行了大气钠层人造信标实验。但 这一时期的研究工作是在军方( 主要是“战略防御倡议”，也就是俗称的 “星球大战计划”) 在秘密的情况下大力研发这项技术。直到1 9 8 5 年天 文界独立提出类似的设想，才进入讨论阶段。基础理论和包括上述两实验在 内的实验结果都得到报道。1 9 8 7 年t h o m p s o n 和g a r d n e r 进步发展了激光 导星的设想，他们从实验上证实了在中圈钠层建立激光导星的可行性i2 1 。在 2 0 世纪8 0 年代后期，欧洲南方天文台在智利的天文台的3 6 m 望远镜上安 装了自适应光学系统的原型机。2 0 世纪9 g 年代初。即冷战结束居，当文职 科学家开始搞清工程技术上的关键问题并证实其潜在的成像能力时，美国军 事部门对自适应成像和激光导星方面所作的大部分工作获准解密。此后，在 科学文献中出现了大量有关文章，这更刺激了该重要领域研究的进步发 展。 1 1 2 激光钠导星的产生背景与发展 实现人造激光导引星的途径有两条，即利用大气钠层的共振散射 ( 8 5 - 1 0 5 k m 高度) 和大气中氮和氢的后向瑞利散射( 1 0 2 0 k m 高度) 。 瑞利引导星技术已经较为成熟，其所用激光器的性能是一些商用产品所 哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文 能达到的，如固体激光器和准分子激光器。像美国i l l i n o i s 大学使用x e f 准 分子激光器在w i l s o n 山h o o k e r 望远镜的瑞利单引导星和多重引导星已经投 入使用1 3 l 。但是它有两个明显的缺点：( 1 ) 由于大部分空气处于地球表面上方 1 0 k r a 以内的高度层，返回信号的点源也在相同高度范围。这样，来自瑞利 散射的后方散射波将明显地不同于大气顶部理想参考源产生的波，弗雷德 ( f r i e d ) 称此问题为聚焦非等晕性。如果由更高的大气层来产生后向散 射，则回波可用于探测高层湍流。不幸的是，大气密度随高度迅速减小高 层大气瑞利散射返回信号太弱，要想得到足够强的信号，要求极高的激光功 率，这是非常困难的。( 2 ) 在张角相同的情况下，一颗低空导星的覆盖区比 一颗高空导星的覆盖区小得多，或者说，为得到相同校正区，前者所需导星 数比后者多得多，由于上述原因，瑞利导星渐渐不作为研究重点。 而钠激光导星，即依赖于8 5 1 0 5 k m 高处的钠层对照射激光的共振散射 的导星技术，是现今全球公认的先进的导引星技术，也是当前人造信标的主 要发展方向。 钠层提供了建立激光导星所需的极好的散射媒质，这是因其高度适宜且 散射系数很高。钠层发现于2 0 年代，自6 0 年代用光雷达技术进行了深入地 研究。钠层是由陨星的烧融生成，其衰耗是通过低边界的化学过程。钠层的 平均高度为9 2 k m ，平均厚度为l o k m 。钠柱的密度随昼夜和周年而变。 很明显地，激光钠导星可以克服瑞利导星所面临的困难。但是对激光器 的星等有特殊的要求，如激光的输出能量、波长、线宽、脉冲宽度等。 随着激光技术的不断发展，使得关于激光锄导星的研究在世界各国不断 地开展与深入。 美国l a w r e n c el i v e m o r e 国家实验室开展了一系列钠激光导引星的实验 h j 。在他们的实验中，发射镜直径为3 m ，发射功率为1 1 0 0 w 。获得了来自 钠层的饱和曲线，研究了波前畸变的获得及闭环补偿的自适应光学系统的补 偿效果。测出钠的饱和强度为5 w c m 2 ，证实在实际工作远不需达到饱和而 只需达到阈值即可。 德国m a x p l a n c k 学院的a l f a ( a d a p t i v eo p t i c sw i t hl a s e rg u i d es t a rf o r a s t r o n o m y ) 系统采用美国c o h e r e n t 公司生产的功率2 7 w 的氩离子激光泵 浦的c o h e r e n t 8 8 9 型连续环型腔染料激光器，输出的5 8 9 n m 光功率可达 6 w 1 5 一】。英国帝国学院的b l a c k e t t 实验室也采用了同样的激光器，只是参数 不同。 美国科罗拉多州立大学物理系的j ，v a n c e 等人提出并开发出一种可以取 ：= = ：= = ：堕查鋈i 型垒竺兰三兰! 鳖篁i 堡篁圣! ：一： ：= ： 代坏型腔染料激光器的新的全固态光源用于钠的大气遥感。将两束波长分别 为1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 n m 的连续单模n d ：y a g 激光在一个双共振铌酸锂谐振腔 中和频可产生5 8 9 n m 的钠光，输出功率超过4 0 0 m w ，且能量转换效率高于 4 0 。 m i t 的林肯实验室的钠激发激光器工作在频率2 0 h z 、单脉冲能量 1 2 0 m j 、脉冲宽度4 9 s 1 7j 。美国芝加哥自适应系统c h a o s ( c h i c a g o a d a p t i v eo p t i c ss y s t e m ) 也采用此方法，实验产生了输出功率为7 - 9 w 高质 量的钠黄光，线宽大约为1 g h z 8 1 。 日本的研究者已开发出一种窄带雷达用于测量南极上空中间钠层的温度 分布p ”) 。所采用的发射激光器是由两个波长分别为1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 u m 的 注入种子n d ：y a g 激光利用和频技术通过一个b b o 晶体和频产生，5 8 9 n m 光的线宽窄于1 0 0 m h z ，且输出畿量为4 0 m j 脉冲( 相应的重复频率为 1 0 h z ，脉宽为4 0 n s ) 。 美国a r i z o n a 大学的研究人员w t r o b e r s 等人认为固态拉曼激光器是一 种很好的光源，它具有l d 泵浦固态激光器稳定性和高效的优点，除此之 外，拉曼激光器特有的光束清理自然效应使它能够产生很高的光束质量，可 以极大的提高聚焦在钠层上的光斑的质量】。他们已将这种激光源用于 m m t ( m u l t i p l e m i r r o rt e l e s c o p e ) 钠导星系统。 欧洲钠导星计划e u r 0 5 0 的专家们( 在a n a t o l im a l t s e v 的领导下) ，提 出开发种基于新的原理的激光系统，这种激光系统在复杂性、能量参数、 运转质量等方面近似于大家熟悉的t i ：s a p p h i r e 激光器，波长调谐范围是 0 5 - 0 6 1 a m ，最大的输出功率为0 5 7 0 5 9 1 a m 的范围内，这样就可以有效地 泵浦钠的d 1 和d 2 线i ”j 。激光带宽3 g h z ，脉宽几十到几百n s ，平均输出 功率3 - 5 w 。 2 0 0 0 年报道了法国激光材料和技术研究中心用拉曼激光器激发钠激光 导星实验成功l l “。通讯研究实验室用连接( 1 0 w ) 5 3 2 n m 泵浦染料激光器获 得钠导引星，配置在s u b a r u 望远镜上，其发射望远口径为1 5 m ，激光发射 口径为2 0 c m 。 s p i e 2 0 0 0 年有多项研究报道，如爱尔兰大学研究受激瑞利散射和钠层 激光导星实验用于监控光污染【1 5 】。 最近的也是最成功的钠导星实验是由美国新墨西哥州的k i r t l a n d 空军基 地实验室完成的，具体激光系统如图1 2 所示 1 6 】。他们分别于2 0 0 2 年11 月 2 1 2 3 日和2 0 0 3 年3 月1 l 1 3 日在s t a r f i r e 光学靶场，将由1 0 6 4 n m 和 1 3 1 9 r m a 的连续波注入锁定n d ：y a g 激光和频生成的功率为2 0 w 的5 9 9 n m 钠黄光源用于钠导星测试，在天空中生成的人造导星的亮度分别达到7 5 与 7 9 等星，十分出色地满足了理论上计算得出的结论。光子回落流密度达到 8 0 0 光子c m 2 s 和6 5 0 光子e r a 2 s ，说明钠导星技术已经逐渐发展成熟，并 将进入全面应用阶段。如果光源的功率达到5 0 w ，则该系统可以应用于对 移动目标的跟踪，例如卫星等“7 1 。 l a y o u ta n d 跏t e s to b j e c t i v e s 图1 - 2 钠导星激光系统 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs o d i u mg u i d e s t a rl a s e rs y s t e m 因我国关于激光钠导星的研究工作起步较晚，且自适应光学激光导星系 统耗资巨大，目前国内还没有人进行整体系统具体实施的工作，大都在跟踪 国外的研究进展，并进行一些局部的研究工作，为以后的具体实施作前期的 准备。其中中国科学院武汉物理与数学研究所于1 9 9 5 年1 0 月研制成功了中 国第一台钠层荧光激光雷达，取得了一些高空钠层的观测数据。另外，北京 理工大学、中国科学院光电子技术研究所( 成都) 和安徽光机所也一直在进 行自适应激光导星方面的研究。 1 2 激光钠导星光源的实现方案 综合分析国内外关于激光钠导星的研究可供选择的用于钠导星系统的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 激光源方案主要有以下几类： ( 1 ) 利用波长分别为1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 r i m 的n d ：y a g 激光器和频生成钠 黄光输出； ( 2 ) 通过染料激光器获得5 8 9 n m 的钠黄光输出； ( 3 ) 掺钛蓝宝石激光器( t i ：s a p p h i r e ) ； ( 4 ) 固态拉曼激光器； ( 5 ) 参量振荡器技术，即通过o p o 来获得钠黄光等。 其中第“一种方案以其具有的高效率、高质量、小型化、全固化等优点， 已成为全球生成5 8 9 n m 黄光的主要研究方向【1 8 , 1 9 , 2 0 , 2 1 】。在钠导星光源实现中 采用此方案也是本论文的所研究内容的背景。和频原理1 2 2 】如图1 3 所示。 d i o d e - - p u m p e ds u m f r e q u e n c y l a s e r m i r r o r 图1 - 3l d 泵浦n d ：y a o 和频激光器原理图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f d i o d e p u m p e ds u m - f r e q u e n c yl a s e r n d ：y a g 激光器长期应用于相干通信、注入锁定、光谱学、遥感和精确 计量等方面。技术噪声使其很难获得窄于几百k h z 的线宽。由于和频生成 钠黄光的需要，实验中的n d ：y a g 激光器要求具有单频、高效、稳定、高 功率、结构稳固、长寿命、热扰小等特点。 单块非平面环形腔，一种激光二极管泵浦的、单向行波运转的环形激光 器，已经解决了一些技术噪声问题。n d ：y a g 激光器线宽增大频率不稳的主 要因素为：( 1 ) 振动与温度不稳定导致的光路长度变化产生的扰动；( 2 ) 不稳 定的光学泵浦源导致的扰动；( 3 ) 空间烧孔效应导致的多模振荡；( 4 ) 腔外光 学反馈导致的不稳定。单块非平面环形腔，正是克服了这四方面的约束。 首先，谐振腔小且坚硬，因为它由一单块晶体块或相关材料组成。其 次，激光二极管的泵浦方式在波长与功率方面都极其稳定，并且与光泵方式 相比明显减少了谐振腔的热负载。第三，晶体本身就是- _ 个光学单向器，使 得激光器单向行波运转，因此消除了空间烧孔效应，激光单纵模振荡。由于 泵浦光适当地聚焦在腔的模体积内，很好地获得了t e m o o 。第四，环形几 何结构减少了腔外光学反馈对激光的敏感性，因为输出光的部分反射光进入 腔后在传输方向有很大的偏振损耗，并且频率发生了改变。因此，反射光不 会耦合入振荡模式中。但是其输出功率小始终是无法解决的问题，至今仍未 超过2 w l 23 1 。 综合以上各种因素，n d ：y a g 激光器的实验方案采用种子注入锁定放大 ( i n j e c t i o nl o c k i n g ) 技术，来获得单频、高功率的激光束【2 4 ，2 “。种子光源方面 采用半导体激光器抽运的非平面单向行波环形腔固体激光器( m o n o l i t h i c n o n p l a n a rr i n go s c i l l a t o r ) 。 1 3l d 泵清单块非平面环形腔固体激光器的发展与应用 非平面单块环形固体激光器( n o n p l a n a rr i n go s c i l l a t o r ) 采用n d ：y a g 作为激光晶体，它是具有三个光学内全反射面及一个输出和输入耦合面的晶 体块。在施加一定磁场后，该晶体不仅作为激光增益介质，同时也兼作为法 拉第旋光器：三个内全反射面既是环形激光谐振腔反射镜，也是相位补偿波 片；前表面镀特殊偏振膜后，既为输入输出耦合面，同时兼做部分偏振器。 由于晶体的磁致旋光性，内全反射的相位延迟性和耦合膜系的部分偏振性使 它构成为特别稳定的具有光学单向器特征的激光谐振腔，消除增益空间烧 孔，保证单纵模输出。该器件具有结构简单稳固、频率及功率噪声小、线宽 窄、调节容易、效率及单频输出功率相对较高的优点。 d i o d ep u m p 图1 4 单块非平面环形腔示意图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a m o fn p r o 啥尔滨工业人学工学硕士学位论文 单块非平面环形腔的原创性思想和贡献是2 0 世纪8 0 年代中期，在美国 斯坦福( s t a n f o r d ) 大学由t ，j k a n e 、l b y e r 和周炳琨首先提出并实现的 2 6 1 。他们用l d 列阵泵浦整体腔n d ：y a g ，实现了非平面环形光路激光器， 装置如图1 4 所示。 他们设计的腔称为非平面单块固体环形激光器，简写为m i s e r ( m o n o l i t h i ci s o l a t e ds i n g l e m o d ee n d p u m p e dr i n g ) 。最初用3 8 x 3 x 3 m m 3 的 n d ：y a g 作激光晶体，在强度为o 2 7 t 的磁场下，用a r 离子激光器泵浦， 阈值泵浦功率为0 1 5 w ，斜效率为5 ，泵浦功率为2 w 时得到最大单频连 续输出功率1 0 9 m w 【2 ”。此后不久，他们又利用l d 泵浦尺寸为1 2 x 9 x 3 m m 3 的非平面环形腔，由于腔内光环绕一周路程减少和l d 泵浦本身的优点，使 闽值泵浦功率大大减小到1 6 9 r o w ，斜效率达1 9 6 ，此系统已经成功地应 用于相干激光雷达的实验中 2 8 1 。 稍后的研究报道是美国h p 公司的w r t r u t n a 及其同事等设计的另一 种称为准平面的单块环形激光器( q u a s i - p l a n a rm o n o l i t h i cr i n gl a s e r ) ，用外 加磁场对n d ：y a g 非平面环形几何实现了纵模调制，获得1 3 1 9 9 i n 和 1 3 3 8 m 的单纵模输出h 。 近年来，德国汉诺威激光中心对非平面环形单频固体激光器也进行了系 统的研究。以重力场测量干涉仪为应用背景，i f r e i t a g 等科学家利用l d 泵浦的非平面环形腔固体激光器进行了频率调谐、倍频、调o 、注入锁定等 各种实验，为非平面环形腔应用于各个领域打下了理论和实验基础。他们完 善了l d 泵浦的单块非平而环形腔的设计，提出将输出面做成平面，而利用 l d 泵浦的热透镜效应使激光腔稳定，在高的泵浦功率下，将输出面做成负 曲率半径球面，以避免过短的热透镜焦距使t e m 0 0 模焦斑半径相对泵浦光 斑过小，而出现多横模震荡的情况，得到较高功率的单频t e m o o 模输出。 利用四个1 w 的l d 分别从两个方向纵向泵浦非平面环形激光器，在3 8 的泵浦功率下，得到接近2 w 的单频激光输出，斜效率接近6 0 。 i f r e i t a g 等通过在单块非平面环形腔输出而镀波长选择介质膜，在室 温下分别得到9 4 6 n m ，8 0 0 m w ，1 3 5 7 n m ，1 5 w 的单频连续激光输出，为得 到可见光谱范围的高质量单频激光，他们将单块非平面环形腔产生的1 2 5 w 的1 0 6 4 n m 的单频激光模匹配注入准单块m g o ：l i n b 0 3 倍频腔中，得到最大 为1 1 w 的5 3 2 n m 单频绿光，转换效率高达9 0 。另外，他们用k n b 0 3 作 倍频晶体倍频单块非平面环形腔产生的9 4 6 n m 的单频激光，得到了5 0 0 m w 的单频蓝色激光，二次谐波转换效率达8 l ，由于非平面环形单频激光单 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 色性及稳定性很好，倍频激光也表现出很好的单色性和稳定性川。 为得到更大功率的单频输出，i f r e i t a g 等综合了单块非平面环形腔单频 输出高稳定度，低噪音以及大功率固体激光器增益大，输出功率高的优点， 利用注入锁定技术，得到了1 5 w 和2 0 w 单频连续激光输出 3 1 , 3 2 。 我国在这方面的研究爿。刚刚起步，研究的过程经历了从平面环形腔到非 平面环形腔的大体步骤。 1 9 9 6 年天津大学精密仪器系戴建明等人研究了平面环形腔掺钛蓝宝石 激光器，并实现了自锁模运转。在双向同时锁模时，获得宽度为3 6 f s 的锁 模脉冲，在单向锁模时获得的脉冲宽度为3 2 f s 的锁模脉冲。中科院上海光 机所的王春等人在半导体激光阵列侧面泵浦的n d ：y l f 激光器中，利用声光 调制器控制激光单项运转。消除空间烧孔效应，获得单纵模输出。山西大学 光电子研究所用四块反射镜构成平面环腔，l d 泵浦得到3 6 5 m w 的1 0 6 4 n m 单频激光，利用腔内倍频技术得到7 5 m w 的5 3 2 n m 单频绿光。 关于单块非平面环形腔的研究，在国内丌展的比较晚，主要的有北京理 工大学和中国计量科学研究院。北京理工大学光电工程系的杨苏辉、高春清 等人从2 0 0 1 年开始自行设计单块非平面环形腔激光器，分别实现了在 1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 r i m 的连续单频输出，得到的最大输出功率分别为6 0 0 m w 和 4 0 2 r o w ，并通过温控法，进行了频率调谐和噪声抑制等方面的实验，并应 用其进行了激光相干探测模拟测速及测距实验 3 3 , 3 4 , 3 5 】。中国计量科学研究院 量子部的臧二军等人从2 0 0 2 年开始提出半非平面单块固体环形激光器，并 进行相关的研究。其所谓的半非平面环形腔是指兼有国际上非平面和准平面 单块固体环形激光器的优点，同时在一定程度上克服两者的不足，即保持光 学加工中有较宽的加工释放公差，又能在较低的磁场强度下实现单向运转。 在实验中获得了1 0 6 4 n m 单模1 6 w 连续输出，激光斜率效率为5 0 ，单模 连续调谐范围6 0 g h z l j 舐“o “。 美国、德国等国家对关于l d 泵浦单块非平面环形腔固体激光器及其各 个应用技术方面进行了很多研究，技术已经趋于成熟，并且实现了商品化， 如美国l i g h t w a v ee l e c t r o n i c s 公司生产的m o d e l1 2 6 系列产品，输出激光为 单纵模、单横模，线宽小于5 k h z m s 。而目前国内的研究已起步，但还有许 多需要改善和努力的地方，正在争取接近或超过国际水平。 一：一： 墼篁些奎兰三筌圭鲨鎏奎： 1 4 本论文的主要研究工作 本论文通过跟踪国内外激光钠导星领域的研究进展，采用n d ：y a g 激 光器和频实现钠光源的方案，在一定的理论计算基础上，提出由l d 泵浦的 单块非平面环形腔固体激光器作种子源，利用注入锁定技术获得高功率、高 质量的泵浦光进行和频生成5 8 9 n m 黄光的实验设计。从激光器的本征偏振 态理论出发，对单块非平面环形腔激光器进行详细分析，解释了如何选择增 益介质、磁场、输出耦合面、非平面环形光路的几何形状等，并设计出一种 n d ：y a g 晶体非平面环形腔，在实验中进行激光器被动稳频方面的模拟实 验。 ：= ：篁鎏三些奎兰三兰筌：圭兰堡篁圣： ：= ：= = 第2 章激光钠导星光源的理论研究 激光钠导星是以9 0 公里处约i o k r a 厚的钠层作为散射源，用等同于钠 的d ，和仍线光谱的5 8 9 2 n m 和5 8 9 ，6 r i m 的激光作为泵浦源，发射至钠层使 之产生共振散射，发出5 8 9 n m 的可见光返回地面系统，作为信标光，它可 以克服瑞利导星所面临的困难。 钠导星技术代表当前人造信标的主要发展方向，也是本论文主要研究对 象的应用背景，因此必须对其进行详细全面的讨论与分析。由于激光钠导星 对地面激光系统光源的性能有特殊的要求，所以本章将从钠导星的产生和特 点入手，对激光光源系统的特性进行分析与推导，为激光钠导星光源的实验 开展奠定理论方面的基础，并在此基础上提出可行的实验方案。 2 1 钠导星的产生机理 钠原子最强的谐振散射是波长分别为5 8 9 2 n m 和5 8 9 i 6 n m 的d j 和d j 线，相应的跃迁分别为3 2 s j 也一3 2 p 3 憎和3 2 s 詹一3 2 p ，磨( 如图2 - 1 所示) 【3 9 1 。 图2 - 1 上层大气中钠的共振跃迁能级图 f i g ，2 1t r a n s i t i o no f s o d i u mi nt h eu p p e ra t m o s p h e r e 光子散射截面盯( y ) 由 r 盯( p 矽v * 唧v ( 2 1 ) 给出。其中 盯，峰值散射截面，典型值为 唧= 8 , 8 x 1 0 1 2 c 班 a v 有效线宽，有谱线的超精细分裂和多普勒( d o p p l e r ) 加宽两部 分组成，典型值为 p = 2 1 0 9 j 一1 调谐在仍线中心，并垂直向上传播的激光束中，约有乒6 的光子被 钠层吸收，于是，有相应数量的钠原子由3 2 s l 詹态激励到3 2 岛脂态。这些原 子返回3 。s j 詹态，并发射光的寿命为的典型值为1 6 n s ：而在9 0 k m 的高度 上，钠原予与空气分子( 主要是氮分子) 相邻两次碰撞的时间间隔k 则长 达1 4 0 9 s ，因而，后者对b 基本没有影响。这就是说，可以认为钠原子散射 的光子数等于被其吸收的激光光子数。设每个激光脉冲发射的光子数为j v ， 则由钠原子散射的光子数为m 。假定散射是各向同性的，则在地面处接收 散射光子的面密度为 ，卢 a n , 5 著( 2 - 2 ) 其中，为钠层的高度。而在相干区，r ( r o 2 ) 2 接收到的光子则： a n ，= n 旦 。4 h 其中，蜥为大气相干长度。 在好的能见度条件下，r o = 1 0 e r a ，取h = 9 0 k m ，于是得到 一o o s 菇l 薪“s s 枷 如果假定接收信噪比由光子数统计决定，且电压信噪比为1 0 0 ，则 4 a n = 1 0 0 其中，_ 为光探测器的量子效率。 将( 2 5 ) 代入( 2 4 ) ，取口为0 1 ，得到每个脉冲应含光子数 n = 5 , 4 1 0 1 8 由于波长5 8 9 2 n m 的单光子能量为 h = 3 3 8 1 0 1 9 l ， ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 所以，每个激光脉冲的总能量应为 e = n h p = 1 8 3 j ( 2 - 6 ) 需要指出的是，在得到此结果的过程中，假定散射光是各向同性的，然 而，事实一l 沿前向和后向的散射要比其他方向的更强些。因而，为达到一定 信噪比所要求的光子数或激光能量会更小些。 2 2 钠层分析 钠原子层高度范围在8 0 k m 至1 0 5 k m 之间。以前对该区域的研究只能 靠探空火箭或卫星搭载遥感装置进行，飞机和卫星都无法接近该区域。地球 大气中人们了解最少的区域也许就是该区域。该区域内充满了负载的光化学 和动力学过程，有“第二对流层”之称。它还具有许多其他的特征，例如， 在9 0 k m 高度中层的项部附近的温度是大气层中最低的部分，电离层d 层和 偶发层e 层处于该区域，1 0 0 k m 附近是湍流层顶，夜光云( n l c ) 和极地 中层大气回波( p m e ) 也发生在该区域。 中圈n a 层提供了建立激光导星所需的极好的散射媒质，这是因其高度 适宜且散射系数很高。中圈n a 层发现于2 0 年代，自6 0 年代用光雷达技术 尽心了深入的研究。n a 层是由陨星的烧熔生成，其衰耗是通过低边界的化 学过程。n a 层的平均高度为9 2 k m ，平均厚度为1 0 k m 。n a 柱的密度随昼夜 和周年而变。在北半球中纬度上，柱的丰度于夏季最小，约为2 5 1 0 9 c m 一 2 ；于1 1 月至1 月的冬季达到最大，约5 1 0 9 c m 。随季节和地理位置变化 的原因认为与中圈顶的温度有关。后者影响n a 层低边界的主要化学反应的 速率【4 引。n a 丰度的昼夜变化的原因主要是大气潮汐、重力波及太阳辐射的 影响。当地午夜后的数小时丰度最低，同落之莳的丰度最大。 国内的中科院武汉物理和数学研究所曾对武汉上空的n a 层的分布和短 期变化做过一些测量分卡斥。观测的实验是1 9 9 6 年3 月1 日至3 日的三天晚 上在武汉进行的，这三天都是晴好天气，测量获得的钠层分布和变化曲线如 图2 2 和图2 3 所示【4 “4 “。 从图2 2 可明显地看到钠原子数密度分布随时问变化很大。根据数据分 析，钠层柱密度( 1 m 2 底面积垂直柱中总钠原子数) 在1 小时内可由 4 2 1 0 ”m 2 增加到6 8 1 0 ”m 2 ，变化幅度达6 1 9 。它可能是由多种因素 所引起。其中中层大气中的各种波动包括重力波和对流活动，可能是引起上 述变化的最主要因素。从图2 3 可明显地看到中高层大气层中存在波动现 图2 - 2 钠密度随时间变化图 f i g 2 - 2s o d i u md e n s i t ya saf u n c t i o no f t h et i m e 钠原子密度10 9 m 。 图2 - 3 观测到的钠密度随高度分布图 f i g 2 - 3s o d i u md e n s i t ya saf u n c t i o no f t h ea l t i t u d e 从观测结果来看，钠层宽度约为2 0 k m ，位于8 0 1 0 5 k m 之间，钠密度 1 4 iiii、避恒 ： 一= ： ：= = 尘些三些堑些竺圭些鳖： ： 一 最大值高度在9 0 9 5 k m 之间，钠密度分布随时间的变化十分显著，在1 小 时之内，钠原子数密度的变化可达5 0 。这证明钠层存在着复杂的光化学 过程和动力学过程。 为达到导星的亮度要求，选定激光脉冲的能量、脉冲、线宽的过程并不 简单，因为钠层的吸收是非线性的。当n a 层中的能量密度足够大，明显地 改变了原予态的布局密度时，出现饱和效应。按简单的二能级系统考虑，大 的能量密度将明显减少低能态原子数，增加激发态原子数。这种变化了的念 布局造成激光能量的非线性吸收，使受激发射率增加，荧光发射率减小，总 的效果是发自导星的反向散射减小。为使导星亮度达到要求，必须使激光脉 冲的能量较大。若不对激光参数作仔细的选择，激光脉冲能量较大，加之导 星尺寸较小即可造成较强的饱和效应。幸好，在设计激光器时我们可通过使 激光能量、脉冲长度及线宽最佳化来解决这一问题。 2 3 激光与钠层作用的非线性效应 本节介绍两种为钠层散射所特有的非线性光学现象，一种是光散射的饱 和现象；另一种是在圆偏振光子的泵浦下钠原子的自旋极化现象。它们都可 以由能量很小的探测脉冲引起。 2 3 1 光散射的饱和 钠散射可以被激励光饱和，即散射速率可以达到在受激态钠原子的自发 辐射寿命期问必散射一个光子。 酋先注意到，由于多普勒效应，钠原子的吸收谱线是非均匀加宽的。大 气上空9 0 k m 处原子间碰撞的间隔时间相当长，因而，碰撞加宽对光的吸收 或发射的影响基本上可以忽略，多普勒加宽为： h , v d = ( 8 1 n 2 k 日t m 2 2 ，2 ( 2 7 ) 其中，b 为波尔兹曼( b o l t z m a n n ) 常数，m 为钠原子质量，r 为热力学温 度( 单位为k ) 。在9 0 k m 高度处，丁约为2 1 5 k 。将这些数据代入( 2 7 ) 式， 得到： ”d = 1 1 9 0 1 0 9 h z 另一方面对每一速度群的粒子，它们的自然加宽为： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a v 。= _ l _ 1 0 1 0 7 h z( 2 8 ) 因而可以认为，钠原子吸收谱线为1 1 9 个相应于不同速度群的窄吸收线的叠 加。相应于某一速度的群峰值散射截面的有效值为： p 。) 。= 1 1 x1 0 4 c m 2 饱和发射所需光通量为： 乓= s f 。= 9 1 0 8 c m 。2( 2 9 ) 或发射光子总数为： 耻w ( 射一0 6 煳” p 埘 对脉宽b ，这相应于脉冲能量： e s = h v n s = o 2 1 ( 2 1 1 ) 由此可以达到结论，小于1 z 的脉冲能量就足以使9 0 k m 处一个速度群的钠 原子的光散射达到饱和。饱和时每脉冲返回到收集面上的光子数面密度为： 虬= o 3 6 m 。( 2 - 1 2 ) 这远小于任何自适应光学系统的信号，但是，由于大气补偿中钠饱和的目的 是收集所有返回光子而不是测量回波的相位畸变，因而实际上可以用比较大 的脉冲能量，并用比较大的面积接受返回光子。 2 3 2 钠层的光泵浦 简单介绍钠层原子与激光束作用时表现出的第一种非线性效应，即圆偏 振光泵浦引起的原子自旋极化，进而导致光散射截面按一定几率发生巨大变 化。 光子反复散射，最终将所有基态原子带到塞曼( z e e m a n ) 能级。自旋 极化的原子对d l 光完全不散射，而对调谐在d 2 线的光则比未极化原子多散 射5 0 ，完全极化一个钠原子所需要的光子数”可由原子的角动量选择定 则计算。对d 线泵浦，”* 3