激光器|俄罗斯高校研发出用于卫星导航系统的全球最强大高精度皮秒激光器

俄罗斯ITMO大学的科学家开发出一种激光器，用于精确测量月球和地球之间的距离。这种激光器的短脉冲持续时间和高功率有助于确定到月球的距离误差减少到仅有几毫米。该数据可用于根据月球质量影响指定人造卫星的坐标，使导航系统更加准确。研究成果已经发表到国际著名光学期刊《Optics Letters》上。

研究背景

 美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的格洛纳斯导航系统（GLONASS）都是基于对地面目标和几颗人造卫星之间距离的精确测量。卫星坐标必须尽可能准确，以确保物体的位置精确，最重要的是，月球质量会影响卫星轨迹。因此，在计算卫星位置时必须考虑月球坐标。通过使用激光定位器测量到月球的距离可以获得月球坐标，这种定位器的精度取决于激光器的特性：脉冲持续时间越短，激光器的光束发散越小，就越容易测量激光器和月球之间的距离。

研究成果

来自ITMO大学激光物理研究所的科学家开发出一种用于月球定位器的激光器，能够测量到月球的距离，误差范围仅为几毫米。二极管泵浦主振荡器功率放大器（MOPA）Nd：YAG 1064nm激光器具有相对较小的尺寸，辐射发散小，以及脉冲持续时间短、脉冲能量高和脉冲重复率高的独特结合的特点。该激光器的脉冲持续时间为64 皮秒，确定远距离辐射亮度的激光器光束发散度接近理论极限，这比类似器件的指标低了好几倍。

该激光器系统包括一个低阶自适应光学（AO）子系统，以补偿热失真; AO部分包括像散光学器件和四象限光电二极管，以补偿高能激光放大器产生的与时间相关的波前畸变。

ITMO大学激光物理研究所工程师、ITMO大学光子学院的博士生Roman Balmashnov表示：“实际上，制造一种脉冲持续时间为几十皮秒的激光器在技术上已经不再困难。但我们研发的激光器输出脉冲能量至少比其类似产品高两倍，在绿色波长处为250兆焦耳，在红外波长处为430毫焦耳。我们设法实现了200赫兹的高脉冲重复率和能量稳定性，因此脉冲能量不会随脉冲变化。”

成果应用

该新型激光器将用于GLONASS导航系统的月球激光定位器，这将使实时校正卫星坐标计算成为可能，使俄罗斯导航系统更加精确，定位用户时的误差范围可缩小到10厘米。

ITMO大学激光物理研究所所长Andrey Mak指出：“我们开发的激光器具有先进的标准，根据我们的数据，它是目前世界上最强大的脉冲周期皮秒激光辐射源。除了严格的测距应用外，这类激光器还可用于轨道物体的成像：例如卫星或空间碎片成像。”

图为世界上最强大的脉冲周期皮秒激光辐射源（图片来源：ITMO大学）

成果发表

A. F. Kornev et al., Optics Letters 43,4394-4397（2018）; https://doi.org/10.1364/OL.43.004394。