激光钠导引星技术研究进展

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。     

新型钠信标激光器研究进展

自适应光学技术广泛应用于大型地基光学望远镜，以校正大气扰动造成的波前畸变，使望远镜达到近衍射极限分辨率，实现对观测目标的清晰成像。激光钠导引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。介绍了589nm光抽运垂直外腔面发射半导体钠导引星激光器和掺Dy3+晶体作为增益介质直接发射589nm激光的固体激光器的最新研究进展。这些方案因其具有体积小、效率高、可靠性高、成本低、易维护等优势，被认为是新一代钠导引星激光器有潜力的发展方向。     

钠信标光斑大小及回光数研究

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1.3107 photonss-1m-2,光斑大小为0.6,最优的采样频率为900 Hz。     

激光导引星非等晕性的限制

在利用激光导引星的自适应光学系统中，焦距非等晕性是对自适应光学系统性能的主要限制，利用湍流探测配置的孔径滤波函数导出了剩余波前畸变方差．并依此导出了成像系统的有效直径ｄ０，根据昆明和兴隆实测的大气湍流模型对ｄ０进行了计算，说明了校正平移和倾斜对自适应光学系统的重要性。     

自适应成像中的Na激光导星技术

大气湍流严重限制地基天文望远镜的分辩率。在最好的观测台址和良好的能见度条件下，可见光波段的分辩率一般不超过1弧秒。过去的20年中发展了采用电变形镜的自适应光学系统，用以补偿湍流效应。可惜这类系统要求被观测天体附近有明高的参考源，且只能用于观测最亮的星。通过用激光激发中圈钠层的共振反向散射，可在高层大气建立控制自适应成像系统的人造导星。本文对激光导星自适应望远镜之设计要求及预期成像行为作了评论。     

钠信标测光理论与实验研究

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9.55106 photonss-1m-2,对应7.4 V星等。     

阵列激光合成孔径雷达高分辨成像技术研究

激光合成孔径雷达将合成孔径技术应用于激光频段,分辨率不受观测距离的限制,可实现远距离、超高分辨率成像。然而,受激光衍射极限限制,观测视场制约着激光合成孔径雷达对地观测实际应用。该文提出一种阵列激光合成孔径雷达技术体制,通过大功率阵列发射、阵列平衡探测接收、逐脉冲动态内定标实现了激光多路相干收发,成倍地扩大了成像视场。地面转台成像试验表明,成像分辨率优于3 cm(距离)×1 cm(方位),该项技术可为激光合成孔径雷达对地观测应用奠定基础。      

瑞利导星发射系统设计

在天文观测中,瑞利激光导星自适应光学系统可以补偿大气湍流对成像的影响,并且提高天空覆盖率。能够发射一颗合格的瑞利导星成为该技术的前提。为了实现瑞利激光导星在天文观测中的应用,设计了一套瑞利导星发射系统。首先,根据瑞利激光导星自适应系统的基本要求,介绍了激光器的脉冲能量与重复频率的影响;接着,根据湍流理论分析了发射系统的最佳发射口径与大气湍流对导星的光斑大小的影响;然后,根据发射要求利用Zemax软件设计出一套瑞利导星发射系统。该系统最佳的发射口径为260 mm,采样层为10～11km,导星最佳聚焦高度为9.8 km,理想的导星光斑半径为0.45,存在大气湍流情况下导星光斑半径小于1;最后利用Zemax软件对该系统进行公差分析,分析结果表明该系统相对较容易地实现加工与装调。该发射系统满足激光导星自适应系统的要求,实用性高,设计方法普适。     

两种激光导星方案的区别与共性

1　引言　　如在大气中形成激光导星 ,则可能在地面望远镜中应用自适应校正以提高图像质量。但由于无法直接从导星的抖动获得所需信息 ,很难用激光导星信号校正波前的总斜度。 R.Ragazzoni系统地研究了多种方法来解决利用人造导星信号自适应光学系统中波前总斜度测量的问题。已发表一些解决该问题的方法 ,但都增加了系统技术实现的复杂性 ,如 :同时测量明亮自然星和导星的总角度抖动 ,使用双色激光导星 ,使用辅助望远镜和激光源。在后两种情况中 ,激光导星不能视作点光源。使用辅助望远镜或激光源的光学方案很简单。 R.Ragazzoni描述了该…     

基于并行波前校正算法的大视场深穿透光学显微成像

针对较厚的组织,普遍采用的自适应光学技术由于其单次校正视场范围有限,空间光调制器或可变形镜的刷新率有限,难以满足大视场范围波前畸变的快速校正,进而难以满足大视场高速成像的需求。结合共轭型自适应光学系统和相干光自适应校正技术,提出了一种并行的波前畸变校正算法,该算法可以在不增加空间光调制器等刷新次数的前提下,通过并行测量多个导引星的波前畸变,实现大视场范围内像差的一次性校正,为生物组织深处的高速、高分辨成像提供一种可行的参考方案。仿真结果表明:在采用9个导引星时,针对5层随机相位屏构成的薄散射介质,该算法单次校正的有效视场约为传统算法的4.7倍;对于120μm厚的小鼠大脑组织切片样本,单次校正的有效视场约为传统算法的4.6倍。所提算法可以通过增加导引星的数量来进一步增大一次校正的视场范围,并且不会显著增加校正时间,在活体生物样本的大视场成像中具有广阔的应用前景。     

Design and performance analysis of adaptive optical telescopesusing lasing guide stars

The use of adaptive optical systems using electrically deformable mirrors to compensate for turbulence effects is discussed. Since these systems require bright reference sources adjacent to the object of interest and can be used only to observe the brightest stars, artificial guide stars suitable for controlling an adaptive imaging system must be created in the upper atmosphere by using a laser to excite either Rayleigh backscattering in the stratosphere or resonance backscattering in the mesospheric sodium layer. The design requirements of a laser-guided adaptive telescope, as well as the expected imaging performance, are discussed in detail. It is shown that a 2-m ground-based laser-guided telescope can achieve imaging performance levels at visible wavelengths nearly matching the theoretical imaging performance of the Hubble Space Telescope (HST). The required lasers can be either bought off the shelf or built with current technology. The laser power requirement for the Rayleigh guide star approach is on the order of 82 W for zenith viewing when the atmospheric seeing cell diameter is 20 cm. For the same conditions the laser power requirement for the Na guide star approach is on the order of 14 W. Both systems will achieve near diffraction limited imaging with a Strehl ratio of ~0.67 and an angular resolution of approximately 0.07 arcsec for an observation wavelength of 0.5 μm     

二极管侧面抽运双声光调Q 589nm黄光激光器

为了研究高稳定性、高光束质量589nm黄光激光器,采用双声光调QT型复合腔结构、激光二极管侧面抽运Nd:YAG,KTP晶体Ⅱ类临界相位匹配、腔内和频的方法,进行了理论分析和实验验证,在总抽运电流为36A、重复频率为10kHz时,获得了最大平均功率可达3.8W的589nm黄光输出,脉冲宽度为135ns。结果表明,使用T型复合腔可以获得高稳定性、高光束质量的黄光激光输出。这一结果对实现黄光激光在医学领域中的应用是很有帮助的。     

基于APD阵列的闪光雷达光学系统设计

基于雪崩光电二极管(APD)阵列的闪光雷达是一种非扫描3D成像激光雷达,为实现APD阵列非扫描成像,设计了一套正交光栅衍射分光光学系统。利用伽利略望远镜对532nm脉冲激光进行准直扩束;针对APD阵列的特点,使用二维正交光栅和聚焦透镜对扩束光进行衍射分光,光斑经发射-接收分光镜和发射透镜后照明APD像元的瞬时视场;利用发射-接收分光镜使发射光路与接收光路分开。使用ZEMAX软件对准直扩束和衍射分光部分进行了仿真,并对发射和接收透镜进行了理论分析和计算。设计的光学系统符合32×32像元APD阵列成像的要求。     

862nm扇面光束脉冲激光器模块

设计并制作了一种新颖的扇面光束半导体激光器模块,并在模块中集成了高输出电压、高重复频率驱动电路.该模块由多个LD芯片在慢轴方向沿圆弧排列而成,采用微柱透镜和平凸柱面镜对LD快轴光束进行准直.驱动电路采用DC-DC电路产生高电压、采用门电路延迟法产生驱动电脉冲.实验测试表明:该模块峰值光功率为1 750 W,光脉冲宽度为6 ns,脉冲间隔为20μs,光束水平发散角为41.2°,垂直发散角为0.23°;可以实现大视场空间、低间隔时间光束发射.     

高光束质量弹载激光主动成像激光器研制

弹载激光主动成像制导技术是现代战争中最重要的精确制导技术之一。其中,弹载激光主动成像激光器的研制,是当前研究的热点和难点。报道了高光束质量弹载1 064 nm激光器,用于激光主动成像。采用二极管端面带内泵浦Nd:YAG晶体,光机电一体化设计,在重复频率100 Hz时,输出激光脉冲宽度为3.005 ns,最大输出单脉冲能量3.36 mJ,输出激光光谱宽度78 pm。带内泵浦和谐振腔的优化设计,保证了良好的光束质量,光束质量因子M2在X方向为1.327,Y方向为1.354。成像结果表明:该激光器的成功研制,对高光束质量一体化固体激光器的参数设计和弹载激光器在激光主动成像中的工程应用都具有一定的指导意义。     

应用于金属焊接的光纤耦合输出2kW半导体激光光源

报道了一种高效节能、千瓦级光纤柔性输出半导体激光焊接光源。采用半导体激光合束技术,研制出2246W半导体激光合束光源,电光效率达43.6%;通过聚焦耦合,实现从600μm芯径、数值孔径0.2的光纤连续输出功率为2104W,光纤耦合效率达93.7%;在光纤输出端采用放大率1颐1的成像系统,到达工件表面的功率为2084W,光参量积为46.89mm·mrad,在束腰处测得光斑直径600μm,光功率密度为7.37×105 W/cm2,可以满足金属薄板焊接的激光加工要求     

MOPA脉冲激光器频谱合束研究

文章对多个主振荡功率放大(MOPA)脉冲激光器采用阵列光纤光栅频谱合束技术进行了研究,模拟了采用阵列光纤光栅频谱合束技术将多个MOPA脉冲激光器合束输出的过程,研究了合束后时域脉冲形状的畸变,并提出了使输出脉冲平坦化的改进方法.研究结果表明,以2 ns为间隔控制各个通道的输入MOPA脉冲激光器的同步,可以改善输出脉冲的...