Transcript Rayleigh 信标和钠信标

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
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
 自然亮星
 第一代人造导引星
观测目标-如卫星等
中圈层顶
~100km
钠信标—理想信标
—— 瑞利信标
海拔～20km
控制器
波前探测器
控制信号
~20km
第二代人造导引星
瑞利信标
大气湍
流扰动
—— 钠 信 标
变形镜
0
分束镜
海拔～100km
钠信标激光器
地基望远镜
高分辨率
成像
目标探测器
一、简介——钠信标光源
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
 TMT对钠信标激光功率总体要求
“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%
* DL - Diffraction Limit
全面严格的工程化要求
三、国内外研究现状
—— 钠信标激光源
激光器种类
全固态激光器
（50W）
技术路线
特点
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
Raman＋倍频
运转方式：cw
较低功率时系统紧凑
尚未实用化
光纤激光器
（50W）
938nm＋1583nm和频
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
1178nm＋倍频
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
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
外腔 589nm
和频
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
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：
 与连续波激光相比，提供
105km
钠导星
85km
门脉冲选通
 提高信噪比：
消除瑞利散射干扰
 提高成像精度：
瑞利散射
减小钠导星像斑拉长
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：
“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
 输出功率 : > 25 W
 输出功率：15.8W
 激光波长 : Na D2线
 激光波长：Na D2线
 激光线宽 : < 3 GHz
 激光线宽：0.4GHz
 光束质量 : ~1 DL
 光束质量：M2 ＝1.2
 线偏振度 : 98%
 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
通过多年的努力, 已突破一系列关键技术
可
调
谐
单
频
种
子
源
高
效
泵
浦
耦
合
技
术
光
束
质
量
控
制
技
术
激
光
线
宽
压
窄
技
术
偏
振
模
式
控
制
技
术
高
效
热
管
理
技
术
等
高
效
和
频
技
术
精
密
温
控
技
术
多
色
高
强
膜
技
术
抗
损
伤
技
术
等
自主掌握
核心技术
589nm
种子激光+放大
和频激光产生
PDH 稳频技术
发射接收系统
波长检测
 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：
 输出功率：1.1 W
 光束质量：M2＝1.14
 激光线宽：41 MHz
种子源实验装置
 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
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
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：
 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
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。
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
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
 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 rad
 Pointing jitter: ≤ 3 rad (RMS)
 Long term (12h) drift: ≤ 100 rad
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）
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
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！