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(yuǎn)鏡空間分辨率的人造導(dǎo)星。這些人造導(dǎo)星可以使用TOPTICA的鈉導(dǎo)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(jìn)的激光技術(shù)。例如，激光雷達(dá)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(xué)自誕生以來就是一門實(shí)測與理論結(jié)合極為緊密的學(xué)科，看得更深遠(yuǎn)、更清晰就成為天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)展的永恒目標(biāo)。盡管地基望遠(yuǎn)鏡的口徑在不斷增大，但在實(shí)際觀測時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的分辨能力卻由于上空大氣湍流的限制而達(dá)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(yuǎn)鏡安裝在地球大氣層之上，如哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。但是太空望遠(yuǎn)鏡受限于火箭的運(yùn)輸尺寸、重量和預(yù)算的限制。為此自適應(yīng)光學(xué)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(yuǎn)鏡整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中的波前校正系統(tǒng)，讓大口徑地基望遠(yuǎn)鏡第一次能夠在地面上實(shí)現(xiàn)衍射極限觀測。但單純依賴自然導(dǎo)星進(jìn)行校正的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用非常受限。為了提高自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的天空覆蓋率，作為自適應(yīng)光學(xué)的參考對象激光導(dǎo)星（LaserGuide Star，LGS）應(yīng)運(yùn)而生，根據(jù)激光導(dǎo)星的生成機(jī)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(dǎo)星，稱為瑞利激光導(dǎo)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(dǎo)星，稱為鈉激光導(dǎo)星。

到目前為止，鈉激光導(dǎo)星已經(jīng)通過染料激光器或固態(tài)激光器的和頻實(shí)現(xiàn)，但這兩種方法在光輸出功率上都有限制，維護(hù)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(xì)結(jié)構(gòu)并與鈉原子共振的強(qiáng)激光。TOPTICA的SodiumStar系統(tǒng)是一種高功率“導(dǎo)星”激光器，用于地面望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)光學(xué)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(jiān)固耐用的工業(yè)激光器，可以遠(yuǎn)程操作，甚至可以承受望遠(yuǎn)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(dǎo)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(gè)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(jìn)展。其超大望遠(yuǎn)鏡（Very Large Telescope，VLT）在750nm實(shí)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(xué)復(fù)雜的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF，近地層自適應(yīng)光學(xué)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(shí)提高了望遠(yuǎn)鏡的觀測效率和觀測深度。TOPTICA公司的導(dǎo)星激光器挑戰(zhàn)了高度、震動(dòng)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(tuán)隊(duì)獲得了由Berthold LeibingerStiftung（前德國機(jī)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(jiǎng)和美國光學(xué)學(xué)會的Paul F． Forman團(tuán)隊(duì)工程優(yōu)秀獎(jiǎng)。

這種功率可擴(kuò)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(dá)、激光圖像投影機(jī)、激光電視、醫(yī)學(xué)治療和超分辨率顯微鏡。DL RFA SHG pro是一種改進(jìn)的亞MHz線寬版本，作為種子激光器的DL 100 ／ pro設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)。



Toptica SodiumStar激光系統(tǒng)



SodiumStar激光系統(tǒng)參數(shù)

另外在激光雷達(dá)領(lǐng)域，中高層大氣溫度和風(fēng)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(dá)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(dá)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)中間層頂區(qū)域 80～105km 高度范圍內(nèi)溫度和大氣風(fēng)場的探測。目前Toptica激光器用于激光雷達(dá)已經(jīng)在南北兩極進(jìn)行實(shí)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