激光可以用于各種各樣的應(yīng)用研究，對象從納米尺度到宏觀尺寸，甚至是星系和宇宙的物體。例如，優(yōu)化地球望遠鏡空間分辨率的人造導星。這些人造導星可以使用TOPTICA的鈉導星SodiumStar激光系統(tǒng)。還有一些研究地球大氣層的應(yīng)用依賴于最先進的激光技術(shù)。例如，激光雷達使用激光測量各種參數(shù)，如距離、壓力、溫度、濕度、氣體濃度等。


南方天文臺（ESO）與Toptica的SodiumStar激光系統(tǒng)

歷史悠久的天文學自誕生以來就是一門實測與理論結(jié)合極為緊密的學科，看得更深遠、更清晰就成為天文望遠鏡發(fā)展的永恒目標。盡管地基望遠鏡的口徑在不斷增大，但在實際觀測時，望遠鏡的分辨能力卻由于上空大氣湍流的限制而達不到理論所預(yù)測的衍射極限。為了獲得衍射限制圖像，一種方法是將望遠鏡安裝在地球大氣層之上，如哈勃太空望遠鏡。但是太空望遠鏡受限于火箭的運輸尺寸、重量和預(yù)算的限制。為此自適應(yīng)光學系統(tǒng)（Adaptive Optics ，AO）的出現(xiàn)在一定程度上解決了上述問題，作為望遠鏡整個系統(tǒng)當中的波前校正系統(tǒng)，讓大口徑地基望遠鏡第一次能夠在地面上實現(xiàn)衍射極限觀測。但單純依賴自然導星進行校正的自適應(yīng)光學系統(tǒng)應(yīng)用非常受限。為了提高自適應(yīng)光學系統(tǒng)的天空覆蓋率，作為自適應(yīng)光學的參考對象激光導星（LaserGuide Star，LGS）應(yīng)運而生，根據(jù)激光導星的生成機理，LGS主要分為兩種：一種利用激光與15 km 高度以下的底層大氣中氣體分子與激光之間的瑞利散射生成激光導星，稱為瑞利激光導星。另一種利用589．19 nm的鈉激光共振激發(fā)處于高空90—110 km高度的游離態(tài)的鈉原子產(chǎn)生共振熒光作為激光導星，稱為鈉激光導星。

到目前為止，鈉激光導星已經(jīng)通過染料激光器或固態(tài)激光器的和頻實現(xiàn)，但這兩種方法在光輸出功率上都有限制，維護要求極高。為了激發(fā)中間層中的鈉原子，需要一種匹配鈉的超細結(jié)構(gòu)并與鈉原子共振的強激光。TOPTICA的SodiumStar系統(tǒng)是一種高功率“導星”激光器，用于地面望遠鏡的自適應(yīng)光學控制，是一種緊湊型、工作可靠、交鑰匙系統(tǒng)，功率為589 nm，輸出功率為20W，線寬小于5MHz，具有30GHz的可調(diào)諧性。它是一種堅固耐用的工業(yè)激光器，可以遠程操作，甚至可以承受望遠鏡所在高海拔地區(qū)的惡劣環(huán)境。該系統(tǒng)使用1178nm窄譜二極管激光器（DL DFB）作為種子光，新穎的窄帶拉曼光纖放大器放大和外腔共振倍頻為589nm。拉曼放大原理是基于種子激光器和光纖內(nèi)的寬帶泵浦激光器之間的三階非線性效應(yīng)。激光低頻“種子”光子誘導較高頻率的“泵”光子的非彈性拉曼散射，從而在種子激光器的頻率側(cè)產(chǎn)生另一個光子。在過去幾年中，窄帶拉曼放大技術(shù)最初是ESO（歐洲南方天文臺）研發(fā)的，其線寬僅限于種子激光器的線寬，目前其專利成果已轉(zhuǎn)移至德國Toptica公司。

歐洲南方天文臺（ESO）與德國Toptica公司合作，取得了一系列重大進展。其超大望遠鏡（Very Large Telescope，VLT）在750nm實現(xiàn)1角分視場內(nèi)分辨率2倍的提高。相對于傳統(tǒng)自適應(yīng)光學復雜的點擴散函數(shù)PSF，近地層自適應(yīng)光學系統(tǒng)GLAO的PSF穩(wěn)定、易測，有利于后續(xù)的觀測數(shù)據(jù)處理。其所帶來的信噪比提高4—9倍，同時提高了望遠鏡的觀測效率和觀測深度。TOPTICA公司的導星激光器挑戰(zhàn)了高度、震動和重力不變等操作，在589納米的情況下可提供22 W的恒定輸出功率。SodiumStar激光系統(tǒng)及其團隊獲得了由Berthold LeibingerStiftung（前德國機械工程行業(yè)協(xié)會（VDMA）主席）頒發(fā)的2016年激光研究創(chuàng)新獎和美國光學學會的Paul F． Forman團隊工程優(yōu)秀獎。

這種功率可擴展的方法還為其他大功率連續(xù)波可見激光的應(yīng)用提供了解決方案，如激光原子冷卻、鈉激光雷達、激光圖像投影機、激光電視、醫(yī)學治療和超分辨率顯微鏡。DL RFA SHG pro是一種改進的亞MHz線寬版本，作為種子激光器的DL 100 ／ pro設(shè)計，具有2W的輸出功率，小于1MHz的線寬和20GHz的無模式跳頻調(diào)諧范圍，可用于激光冷卻實驗。



Toptica SodiumStar激光系統(tǒng)



SodiumStar激光系統(tǒng)參數(shù)

另外在激光雷達領(lǐng)域，中高層大氣溫度和風場是描述中高層大氣特性的重要參數(shù)，對研究中高層大氣潮汐波、重力波、行星尺度波以及波與波之間的相互作用，中高層大氣環(huán)流和溫度結(jié)構(gòu)具有非常重要意義。激光雷達作為一種新型的探測手段逐步成為大氣遙感領(lǐng)域不可或缺的工具。高光譜分辨鈉激光雷達可同時實現(xiàn)中間層頂區(qū)域 80～105km 高度范圍內(nèi)溫度和大氣風場的探測。目前Toptica激光器用于激光雷達已經(jīng)在南北兩極進行實際應(yīng)用。



ESO／Toptica SodiumStar589．159nm 激光



歸一化功率短期穩(wěn)定性



發(fā)射波長隨溫度變化的穩(wěn)定性



帶有共扼邊帶的透射譜



光束質(zhì)量：Wavefront error ＜ 25 nm