作者：Gail Overton

利用589nm光源照射上層大氣使鈉蒸汽譜線發(fā)光，可以形成一種典型的激光導(dǎo)星，它協(xié)同自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)能夠補(bǔ)償大氣湍流，改善地基望遠(yuǎn)鏡的清晰度。以前，光纖激光器（需要通過(guò)倍頻或其他方案獲得589nm波長(zhǎng)）無(wú)法達(dá)到這一應(yīng)用所要求的20W的功率水平，這種狀況一直持續(xù)到歐洲南方天文臺(tái)（ESO，德國(guó)）的研究人員利用兩臺(tái)相干組束的拉曼光纖放大器研制出一臺(tái)589nm光纖激光器導(dǎo)星光源。

目前，歐洲南方天文臺(tái)的研究人員已經(jīng)利用單個(gè)倍頻拉曼光纖放大器研制出一臺(tái)輸出功率大于25W的589nm光纖激光導(dǎo)星光源。^{[1], [2]}由于光纖激光器具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固緊湊、能耗低、光束質(zhì)量好等特征，因此其用途涵蓋了材料加工、微電子加工、醫(yī)療以及惡劣環(huán)境下的工業(yè)應(yīng)用等方方面面。現(xiàn)在，光纖激光器在遠(yuǎn)程望遠(yuǎn)鏡位置中的導(dǎo)星應(yīng)用中也有了用武之地。

 將兩個(gè)放大器精簡(jiǎn)為一個(gè)

為了獲得功率大于25W的589nm光源，該研究小組最初將德國(guó)Toptica Photonics公司的光纖耦合外腔二極管種子激光器輸出的36mW、1178nm的連續(xù)光注入到兩個(gè)1178nm的拉曼光纖放大器中。這兩個(gè)放大器由歐洲南方天文臺(tái)搭建的75W、1120nm的拉曼光纖激光器泵浦，而此處的拉曼光纖激光器又由工作波長(zhǎng)為1070nm的摻鐿光纖激光器泵浦。1178nm放大器輸出的半高全寬線寬小于1.5MHz，輸出功率在受到受激布里淵散射限制之前為20W。利用相干組束技術(shù)（包括由一個(gè)50/50熔融光纖耦合器、兩個(gè)獨(dú)立的拉曼光纖放大器和一個(gè)50/50自由空間組束鏡構(gòu)成的一個(gè)馬赫-曾特爾干涉儀），放大器的輸出被組束鏡組合（效率為95%）為一個(gè)單束光，并注入到一個(gè)外部諧振腔中進(jìn)行倍頻。

圖：589nm導(dǎo)星光纖激光器的功率和轉(zhuǎn)換效率與1178nm波長(zhǎng)單個(gè)光學(xué)放大器輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系。

倍頻腔由呈領(lǐng)結(jié)狀分布的四個(gè)鏡片和一塊鈮酸鋰晶體組成。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，25.4W、589nm輸出光的半高全寬線寬小于2.3MHz，轉(zhuǎn)換效率為86%，這是在這個(gè)功率水平范圍報(bào)道的最高轉(zhuǎn)換效率。

由于采用兩臺(tái)放大器不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴，而且對(duì)于惡劣環(huán)境來(lái)說(shuō)還不夠堅(jiān)固，因此歐洲南方天文臺(tái)的研究小組利用單臺(tái)拉曼放大器泵浦源獲得了超過(guò)25W的589nm激光輸出。由于歐洲南方天文臺(tái)自建的泵浦激光器的1120nm輸出功率顯著提高，使得該小組可以省去第二個(gè)放大器。由于采用了長(zhǎng)度為30m的單模光纖以及特殊的激光腔設(shè)計(jì)，最初的75W、1120nm的光源，現(xiàn)在已經(jīng)能獲得150W的輸出功率。該研究小組表示，這是目前報(bào)道的功率最高的拉曼光纖激光器。在最初的實(shí)驗(yàn)中，1178nm拉曼光纖放大器的輸出經(jīng)過(guò)倍頻后，獲得了轉(zhuǎn)換效率為81%的26.5W輸出（如圖）。目前，該輸出功率已經(jīng)被提高到了28W。

“由于拉曼光纖激光器或放大器具有受激布里淵散射和線寬非線性展寬的特性，因此業(yè)界通常認(rèn)為它們不適合產(chǎn)生高功率、窄線寬的激光輸出，”歐洲南方天文臺(tái)的研究人員馮衍表示。“然而，我們通過(guò)改進(jìn)技術(shù)成功地抑制了這些效應(yīng)，并證明了拉曼光纖放大器實(shí)際上是制作導(dǎo)星激光器的一項(xiàng)頗具前景的技術(shù)。拉曼光纖器件的一個(gè)特殊優(yōu)勢(shì)是它的波長(zhǎng)易變性。這項(xiàng)技術(shù)實(shí)際上可以用于產(chǎn)生在光纖中透明的任意波長(zhǎng)的激光，同時(shí)也適合許多其他的科學(xué)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)應(yīng)用。”

參考文獻(xiàn)

1.        Y. Feng et al., Optics Express 17(21) p. 19021 (Oct. 12, 2009).

2.        Y. Feng et al., Frontiers in Optics 2009, San Jose, CA, post-deadline paper PDPA4 (Oct. 14, 2009).