人造导星技术及导星用激光系统

论述了自适应光学系统对人造导星的需要;简单介绍了两类激光导星;重点描述了销激光导星的产生机理及可用于销激光导星的一些激光系统.     

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。     

能动光学,自适应光学和激光导星

天文光学观测对于人们了解宇宙至关重要，但地基望远镜的能力受到望远镜误差和光通过大气时各种效应的严重限制，制在已能建造内装矫正器件，使得在进行观测时可补偿上述两类效应造成的成象质量恶化，为充分发挥刚刚问世的８级望远镜的潜力，这种为能动光学或自适应光学的能动矫正能力极其重要，自适应光学领域中某些物理限制可以通过人工建造参考星－激光导星而克服，这些新技术最近已成功地应用到中型和特大型望远镜上。     

钠激光导星的饱和效应分析

针对自适应光学系统波面探测的应用需求,从平衡态和非平衡态的角度讨论了钠激光导星的回光强度。利用热平衡态下的状态方程,分析了平衡态时因入射信标激光增强所导致的钠激光导星饱和效应问题。结果表明,原子分数随辐射功率谱密度的增强而增大,其变化速率的下降是钠激光导星回光效率降低的根本原因。分析了信标激光器线宽、探测装置子孔径大小、积分时间对共振荧光回光探测的影响,模拟计算并得到了特定条件下能够满足自适应光学系统波面探测的信标激光器功率指标要求。     

夏威夷上空的虚拟导星

凯克天文台与劳伦斯·里弗莫尔国家实验室合作，已制造出一颗“虚拟”导星，它将大大增加凯克Ⅱ号望远镜使用自适应光学件分辨天文物体细节的能力。凯克自适应光学系统于1999年安装，它可使天文学家将地球大气的模糊效应减至最小，获得前所未有的图像细节和分辨率。此种自适应光学系统采用较亮星体发出的光测量大气畸变，并对之进行修正。但在整个天空，只有1%的星球有足够亮的光供此用途。新的虚拟导星将使凯克的天文学家以自适应光学件的高分辨率研究几乎整个天空。虚拟导星在2001年12月23日发出的“第一次光”是用20W染料激光照射地球上…     

部分校正自适应光学系统的激光导星阵

讨论了斯特列尔(Strehl)比为0.5的部分校正自适应光学望远镜所需要的人造导星数对望远镜口径及大气相关长度r0的依赖以及子孔径大于r0时对导星亮度的要求,最后给出在相应条件下产生钠导星所需要的激光能量。     

基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量仪设计

对基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量系统进行了研究,系统利用脉冲激光在测量区域大气层内不同高度形成信标星,以此测量地面至信标星之间的大气湍流信息。本文在分析瑞利激光导星湍流廓线测试的原理和系统组成基础上,对系统关键参数进行了优化选取,并设计了激光发射系统和差分像移接收系统,最后对系统性能进行评估。结果表明:系统可对地面高度0.2~10 km范围内的大气进行湍流廓线测量,该技术在地基天文观测、星地激光通信、地基激光武器领域具有重要的应用价值。     

基于阵列激光导星的自适应光学波前探测数值仿真

为克服当前波前探测技术存在的固有问题,提出了一种基于阵列激光导星（Laser Guide Star,LGS）的自适应光学系统。该系统可以有效消除聚焦非等晕效应的影响从而提高系统的波前探测精度,由此大幅度增大激光导星自适应光学系统的大气湍流探测范围,从而降低自适应光学系统对导星亮度的要求。阐释了该系统的闭环工作过程,并依据其工作过程建立仿真模型,数值仿真了该系统基于阵列激光导星的波前探测过程。最后对重构波前精度进行评估,分析了仿真存在的误差。数值仿真结果显示:该系统的波前重构精度较好,校正残差为11%,初步验证了利用阵列激光导星进行波前探测的可行性。     

利用变形反射镜和激光导星扩大校正视场

为了扩大自适应光学(AO)系统的校正视场,在主要湍流层的共轭面上设置两个变形反射镜(DM),即采用分层共轭自适应光学(MCAO)的方法.主湍流层的共轭面位置设置两个变形反射镜和激光导星可以将湍流层上不同高度位置产生的波前畸变进行分离,并使焦距非等晕性几乎完全消除.在自适应光学系统中,角度的非等晕性产生的波前误差主要取决于校正的模式数、大气介质折射率结构常数(C2n)的分布和系统的几何尺寸.结果表明:对于孔径为3.5 m的望远镜,利用两个变形反射镜能够达到3弧分的校正视场.     

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。     

不同导星数量和排布情况下地表层自适应光学系统的性能分析

基于频谱滤波理论和经典大气湍流 7 层模型, 通过地表层自适应光学 (GLAO) 系统的理论滤波器模型, 结合 有限导星条件下的误差传递函数 (ETF), 探究了不同导星数量与不同导星排布情况下地表层自适应光学系统的性能。 研究结果表明 6 颗导星呈中心 1 颗、其余 5 颗在视场边缘均匀环形分布时, 系统校正性能较优。该研究结果对正在研 制的一米新真空太阳望远镜多层共轭自适应光学 (MCAO) 系统 (含有 GLAO 系统) 具有重要指导作用和参考价值。     

激光星间通信中不同光学终端的研究

光学终端在激光星间通信中扮演着重要的角色.研究了单个光学望远镜及光学望远镜阵用作激光星间通信中的光学终端时的系统性能,从电磁辐射入手,分析比较了单个光学望远镜及光学望远镜阵的增益及光学接收终端的方向图与相关参数的关系.仿真不仅论证了激光星间通信需要极精确的指向角度,而且得出结论:使用光学望远镜阵作为激光星间通信系统的光学终端具有更大的优势.     

微水导激光切割玻璃的耦合装置设计

为了解决激光切割钢化玻璃过程中由于热应力导致产生裂纹并发生破裂的技术难题,建立了光液耦合模型,采用FLUENT软件进行了耦合腔内多场分析,获得了微水导激光切割钢化玻璃的工艺参量。结果表明,在喷口口径为0.4mm、水束压力为20MPa、激光功率为48W、切割速率为20mm/s的工艺条件下,厚度为0.5mm及1.0mm的玻璃试样的切割表面均比较光滑、基体内无微裂纹存在,切缝宽度约为100μm。该双注水口耦合装置的设计是合理的,能够满足钢化玻璃切割工艺的要求。     

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。     

各种激光星间链路特点分析

通过对不同激光星间链路特点的分析,找出应用于不同链路的空间光通信系统研制中所面临的主要问题,这有利于今后空间光通信研究的进展。