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双峰谱型匹配微秒脉冲钠导引星激光技术
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  • 公布年份:
    2016
  • 中图分类:
    P111.2, P152
  • 关键词:
  • 成果简介:
    大型地基光学望远镜作为公益性大科学装置,是人类探索宇宙、揭示自然奥秘不可替代的重大工具之一,不断提高其成像分辨率是人类永恒追求。然而大气扰动导致星光波前畸变,使其实际分辨率大大下降;用天空中亮星作为导引星(也称信标)发出标准信号,获取大气波前畸变信息,用于自适应光学技术校正可极大提高实际分辨率,因此大型地基光学望远镜正步入自适应光学望远镜时代,如美国等在建的国际最大望远镜(TMT,口径30m)校正后实际分辨率可提高约100倍。导引星最早采用自然亮星(如天狼星),但数量有限,仅能用于约1%天区。天文与原子物理学家提出用特定激光激发海拨约100km大气电离层中钠原子产生人造亮星,称为钠导引星,具有亮度高、天区覆盖率达100%、可校正全程大气等优势。国际上先发展了连续波激光钠导引星,但存在大气瑞利散射导致信噪比低的问题,微秒脉冲钠导引星可时间选通避免该问题,获高信噪比(比连续波可高3量级),被美国天文学界称为最先进的导引星。在863、自然基金、中科院支持下,该团队基于数十年固体激光与变频研究基础,国内率先开展微秒脉冲钠导引星激光研究,在充分深入了解了天空电离层钠层物理结构的基础上,发明了双峰谱型匹配微秒脉冲钠导引星激光技术,并实现了高功率(100W级)输出,充分利用了天空有限的钠原子数,显著提高了每个钠原子的回波光子数效率,达260-300photons·m<'2>/s/W/ion,比TMT需求高2倍多。双峰谱型微秒脉冲激光综合性能要求苛刻,各指标相互制约,全面实现,难度大,需同时解决以下四大难点:线宽窄(比自由运转窄约3量级)且波长需长期(数千小时)稳定;激光谱型与钠D2线双峰谱型精确匹配;高光束质量(~1DL)与高平均功率(25-100W)同时实现;平顶方波弛豫振荡脉冲抑制与精密偏振态控制。创新一系列核心技术突破上述难点:提出超低自生热高色散波长线宽调控技术,解决难点1;发明高功率双峰谱型匹配产生技术,解决难点2;创新了双Z型板条放大及谱与空间融合滤波技术,解决难点3;突破了特定脉冲与偏振精密调控技术,解决难点4。研制出了国际首台双峰谱型匹配微秒脉冲钠导引星激光系统,综合技术指标国际领先,已成功应用于国内主要大型光学望远镜(如国台2.16m和云台1.8m)和国外科技最强国家的大型光学望远镜:国内首次产生钠导引星,随后获得国际最亮微秒脉冲钠导引星,并国内首次实现对恒星的自适应光学校正,分辨率提高5倍;在加拿大UBC天文台获得回波超过TMT需求的2倍多,被TMT评价为“重大里程碑,巨大成功”,“处于激光钠导引星国际领先地位”,并与该团队签订了使用协议;在国防上也获重要应用。这将对中国相关领域的发展起到重要推动作用,具有重大的社会效益和科学意义。该项目拥有自主知识产权,授权发明专利6项,论文24篇,经济效益9161.17万元。
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