强激光与粒子束
2023, 35(4): 041011
1 中国科学院理化技术研究所激光物理与技术研究中心, 北京 100190
2 中国科学院光电技术研究所自适应光学实验室, 四川 成都 610209
3 中国科学院国家天文台, 北京 100012
地基光学望远镜对天观测时, 大气湍流扰动引起星光波前畸变将导致其实际分辨率远低于物理极限, 这是急需解决的科学技术问题。采用钠信标激光激发海拔 80～105 km 大气电离层中的钠原子可产生高亮度的钠导引星, 可作为信标探测大气对光波的扰动, 再利用自适应光学技术进行校正, 能使望远镜克服大气扰动影响, 获得近衍射极限的分辨率。介绍了钠信标激光的特性与国内外研究进展, 尤其是中国科学院理化技术研究所激光物理与技术研究中心研制的钠 D2 线双峰谱型匹配的微秒脉冲钠信标激光器及其在大型望远镜上的应用情况。
自适应光学 钠信标激光 微秒脉冲激光 钠导引星 adaptive optics sodium beacon laser microsecond pulsed laser sodium laser guide star
1 中国科学院理化技术研究所 激光物理与技术研究中心，北京 100190
2 中国科学院光电技术研究所 自适应光学实验室，四川 成都 610209
3 中国科学院国家天文台，北京 100012
望远镜是人类探索宇宙奥秘最重要的科学工具之一。大型地基光学望远镜对天观测时，大气扰动使星光波前畸变导致其实际分辨率大幅下降，是长期困扰高精度天文观测的重大科技问题。因此世界各大望远镜均在竞相发展自适应光学技术，以校正大气造成的波前畸变，使望远镜达到近衍射极限分辨率，这标志着地基光学望远镜正在进入自适应光学望远镜时代。激光钠导引星是用激光激发海拨约90 km电离层中的钠原子产生的人造亮星，作为自适应光学校正的信标源，是自适应光学望远镜的核心技术之一。文中介绍了激光钠导引星技术的原理、方法与国内外发展状况，尤其是该实验室采用的固体激光和频技术，实现了钠D2线光谱匹配和钠层激发匹配的微秒脉冲钠导引星激光，并在国内外大望远镜上使用获得成功。
钠导引星 钠信标 钠导引星激光 自适应光学 sodium laser guide star sodium beacon sodium guide star laser AO 红外与激光工程
2016, 45(1): 0101001
1 皖西学院材料与化工学院, 安徽 六安 237012
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学院大学, 北京 100049
高亮度的激光钠信标有利于提高自适应光学波前探测的准确性和灵敏度，但是在激光与钠原子作用的过程中，反冲和下抽运限制了钠原子激发态概率的增长，减小了钠原子的自发辐射速率和回波光子数。通过对窄带/宽带激光与钠原子作用产生反冲和下抽运效应的研究，结果表明：对于低能量的连续激光与大气中间层钠层作用，窄带激光反冲和下抽运效应比宽带激光严重，但是自发辐射速率比宽带激光大很多，获得的回波光子数明显多于宽带激光；对于宽带激光，其激发的回波光子数较少，但是具有不易饱和、反冲效应小的优点。
大气光学 激光钠信标 反冲 下抽运 激发态概率 自发辐射速率
1 中国科学院理化技术研究所激光物理与技术研究中心, 北京 100190
2 中国科学院研究生院, 北京 100049
采用Nd:YAG 1064与1319 nm激光在非线性晶体LBO中和频，获得了高功率、高光束质量、窄线宽的准连续微秒脉冲钠信标激光。该钠信标激光平均输出功率为33 W，光束质量因子M2 = 1.25，线宽小于0.4 GHz，波长为589 nm，并可精确调控到钠原子D2谱线，稳定性优于±0.3 GHz，重复频率为500 Hz，脉冲宽度约为120 μs。与连续波钠信标激光相比，准连续微秒脉冲钠信标激光提供了门脉冲选通机制，可消除大气瑞利散射干扰和减小钠导引星像斑拉长现象，从而使自适应光学系统能够实现更好的校正效果，被称为第二代纳信标激光。基于此第二代钠信标激光器，在云南1.8 m口径望远镜上进行了外场试验，观测到激光钠导引星。
固体激光器 钠信标激光 Nd:YAG激光 微秒脉冲 和频
中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900
研究了采用时间选通和共孔径方式的钠激光导星技术, 并开展了钠信标发射接收实验研究。分析了钠原子共振散射与信标激光波长的匹配关系, 介绍了钠信标激光器、距离选通装置、回光探测装置、同步控制装置等的研制工作。实验成功采集到了钠信标图像, 通过分析回光图像随信标激光波长的变化规律, 验证了波长匹配在钠激光导星中的重要性。
自适应光学 钠信标 共孔径 激光导星 adaptive optics sodium beacon common aperture laser guide star
1 中国工程物理研究院 北京研究生部,北京 100088
2 北京应用物理与计算数学研究所,北京 100088
采用密度矩阵方法来处理长脉冲光与钠原子的相互作用,求解24能级钠精细结构的布洛赫方程,给出参与跃迁的每个态密度随时间的演化曲线。对于圆偏振情形,发现在长脉冲(大于100 ns)的持续时间内,最终的原子通过转移只在3S1/2(2,2)到3P3/2(3,3)之间进行泵浦并且激发态达到稳态。进一步的2能级模型计算与24能级计算结果的对比表明:用2能级近似的速率方程方法取代24能级密度矩阵方法具有合理性,由此简化了模型,节约了后续研究的计算量。
钠信标 长脉冲 圆偏振 2能级 自适应光学 sodium beacon long pulse circularly polarized light 2-level atoms adaptive optics
中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川,绵阳,621900
在对大气湍流相位扰动进行Zernike多项式展开的基础上,通过对信标和目标光的Zernike系数相关因子的推导,得到了实际自适应光学系统(系统存在时间滞后和有限的空间分辨率）对相位扰动各阶像差的校正残差公式。同时结合实际,对瑞利导星以及钠导星自适应光学系统补偿大气湍流各阶像差的能力进行了计算和分析,为实际自适应光学系统的设计提供了理论参考。
自适应光学 大气湍流 瑞利导星 钠导星 adaptive optics atmospheric turbulence Rayleigh beacon sodium beacon
