针对较强天光背景下基于暗弱钠导星的大气波前畸变像差实时探测需求，本文提出了一种综合滤波的主动式波前探测技术，完成了对该技术的理论分析、参数设计及探测能力预估，并将该技术应用于传统哈特曼波前探测器，开展了基于钠导星的大气波前畸变像差探测实验。在约10 W/（m²·sr）的天光背景条件下，实现了基于钠导星同步采样大气波前畸变像差的实时探测。本工作对实际钠导星自适应光学系统应用的工作时段扩展进行了有益尝试。

基于钠导星星群的多层共轭自适应光学（MCAO）系统是目前大口径地基望远镜获得大视场高分辨成像质量的关键部分。其中，钠导星数量及排布方式是影响MCAO系统性能的关键参数。为了明确钠导星星群分布对MCAO系统大气层析效果的影响，首先，根据层析的基本原理，建立了MCAO系统层析两层大气湍流的模型。随后，基于OOMAO仿真平台，验证了3颗钠导星星群对两层大气湍流层析结果。最后，利用视场内斯特列尔比的平均值（RSˉ）和归一化标准差作为校正效果和均匀性的评价指标，讨论了3~6颗钠导星放置于正多边形顶点或者正多边形顶点结合视场中心的排布方式对湍流层析效果的影响。研究表明，针对丽江高美谷天文台大气条件（550 nm波长大气相干长度为8 cm），10 m口径望远镜视场为1′，大气分为两层的情况，当正多边形的半径大于26″时，钠导星的数量达到4颗就能使系统校正后RSˉ（H波段）达到0.45。特别地，采用5颗钠导星放置在正五边形顶点并在视场中心放置1颗钠导星的星群方式层析湍流最优，MCAO系统校正后RSˉ最高，能达到0.53，且系统均匀性较好。

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。

钠信标已经成为地基大口径望远镜自适应光学系统的必要组成部分。钠信标光斑大小和回光数是影响自适应光学系统性能的关键因素, 从发射角度考虑, 主要由激光到达钠层时功率密度分布和耦合效率共同决定。为了准确估计钠信标光斑大小和回光数, 首先建立了激光在大气中传输的模型, 通过分析激光发射望远镜口径和上行路径大气湍流对激光到达钠层功率密度分布的影响, 得出优化激光发射望远镜口径的普适方法; 然后根据激光通过发射望远镜后到达钠层的功率密度与耦合效率的关系, 计算钠信标光斑大小和回光数; 最后利用探测误差和时域误差作为评价指标, 计算了系统的最优采样频率。研究结果表明, 针对丽江高美古天文台大气条件(大气相干长度(r0@550 nm)中值为7~9 cm), 激光发射望远镜口径最佳值为300 mm, 此时产生的光斑最优; 当r0为9 cm, 激光器采用中国科学院理化技术研究所20 W级百微秒脉冲激光器并利用D2a+D2b双峰泵浦激发钠原子时, 产生的钠信标回光数为1.3×107 photons·s-１·m-2, 光斑大小为0.6 ″, 最优的采样频率为900 Hz。

钠信标激光器与钠原子间的耦合效率是其性能评价的核心指标之一, 为对钠信标激光器的激发效率实现精确测量, 在云南丽江1.8 m望远镜上搭建了一套完整的激光钠信标测光系统, 该系统由钠信标激光器、激光中继光路和激光发射望远镜、钠信标接收望远镜、钠原子激光雷达、大气视宁度测量仪等组成。自2011年以来利用该系统对中国科学院理化技术研究所20 W级百微秒脉冲激光器所产生的钠信标进行了相应的测量标定, 成功得到了半高全宽最小为3′(对应到90 km高度处为1.3 m)的钠信标图像, 并测量了在不同的出光功率、偏振状态和中心波长下钠信标的回光结果。实验中分析了滤光片、CCD量子效率曲线等在对钠信标测光时的影响, 对所产生的钠信标回波光子数进行了精确标定, 并提出了一种钠信标V星等的计算方法; 在19 W出光功率, 圆偏光状态下获得了最亮的钠信标, 其在大气层上空的光子数流量为9.55×106 photons·s-1·m-2, 对应7.4 V星等。

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。