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。     

复共轭自适应光学系统可改善对天体的观察

由于在大型地基望远镜上装上自适应光学系统 ,天体物理学家现已具备分辨力接近哈勃太空望远镜 ,同时集光能力远比哈勃大的仪器。例如 Keck10 m望远镜的集光本领为哈勃望远镜的 16倍 ,采用自适应光学以后 ,其分辨力已可达到 0 .0 34弧秒。这些系统依靠待研究天空区内存在的明亮导星。此种导星使由于大气湍流产生的波前误差得以测量和校正。(我们感光趣的一个天体发光够亮而角尺寸又够小 ,也可用作导星。)然而 ,一般的自适应光学系统存在两个问题。一是它们只能对导星周围最接近的一小块天空 (等晕块 )进行充分校正。二是由于足够亮的天然导…     

层析法可改进对星体的观察

由于有了装在大型地基望远镜上的自适应光学系统，天文学家就有分辨率可接近哈勃太空望远镜的仪器，而其收集的光则远多于后者。例如，Keck10m望远镜收集的光为2.4m哈勃望远镜的16倍，用自适应光学现在可以分辨0.034弧秒。这些系统依靠待研究天空区内或附近的明亮导星，它可以测量及校正大气湍流导致的波前误差。有时碰巧会有一个感兴趣的天文物体既有足够的亮度，视角尺寸又足够小，可用作其导星。然而一般的自适应光学系统存在两个问题：其一是，它们只能很好地校正导星周围的一小片天空；其二是因为足够亮的导星极少，距离望远镜又极远…     

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。     

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。     

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。     

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。     

微秒脉冲激光钠导引星星群技术研究（特邀）

激光钠导引星被称为人造恒星,用于探测和校正光波经大气湍流引起的波前畸变,大幅度提高自适应光学望远镜的成像质量。采用单颗钠导引星探测的有效视场范围有限,通过多束黄激光分别激发大气电离层钠原子产生多颗钠导引星,能在较大视场内获得更清晰的目标成像,在精密天文观测、空间目标探测等领域具有重要应用。文中重点介绍了微秒脉冲激光钠导引星星群的产生,基于100 W级微秒脉冲激光,采用小角度精密偏振分光/并束调控的专利技术,在丽江天文台通过一台发射望远镜将四束20 W/束、重复频率kHz、脉冲宽度百微秒的钠激光发射到天空,在40"观测视场内生成四颗导引星,星群构型可调控,如线形、平行四边形、菱形和正方形等,每颗钠导引星亮度约为V波段8等星,光斑大小约3.25"。利用脉冲同步控制技术,钠导引星回波信号可以避免瑞利散射光的干扰,从而获得更高的空间分辨率。这为大口径天文望远镜多层共轭校正系统的研制提供技术参考。     

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。     

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。     

抖动偏频激光陀螺抖动信号的自适应对消

根据抖动偏频激光陀螺的输入、输出信号模型,提出利用自适应噪声对消技术消除陀螺抖动信号.使用恰当的算法,自适应噪声对消器能够自适应地跟踪并最佳地消除抖动信号,提取所需的惯性角速率信息.     

基于随机并行梯度下降算法的望远镜静态像差校正

为校正大口径量子通信望远镜的静态像差,提高接收信号光的能量集中度,提出了基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的静态像差校正方法。该方法不同于经典的自适应光学校正方法,无需波前传感器,可有效降低系统的复杂性。对SPGD算法进行了分析,在此基础上利用64单元变形镜和CCD探测器搭建了校正平台,并将该校正平台应用到青海湖量子通信地面站望远镜系统,对700mm望远镜的静态像差进行了校正,远场光斑直径由校正前的58μm改善为30μm,验证了SPGD算法对望远镜波前畸变校正的可行性。     

信标湍流探测中波前非等晕问题的研究Ⅱ:实验测量

人造信标[即激光导引星(LGS)]概念的提出解决了自适应光学系统(AO)的湍流参考源问题,同时也带来了不可避免的非等晕误差。利用新研制的自然星哈特曼传感器(HS)与信标哈特曼传感器在望远镜系统上实现了自然参考星与瑞利信标的湍流波前时间同步测量,从而对不同模式(包括纯聚焦模式、角度与聚焦相耦合模式)瑞利信标的非等晕误差进行了定量研究。通过对测量所得自然星与瑞利信标湍流波前的泽尼克模式像差分解及对比分析发现,不同高度瑞利信标波前与自然星波前的各阶泽尼克模式时间互相关性,随其像差阶数的增加而振荡下降。相比于自然星波前的各阶像差模式方差分布,不同模式瑞利信标的非等晕误差均随像差模式阶数的增加而逐渐增大,即信标的非等晕误差对高阶像差更加敏感。最后,通过对不同实验模式非等晕误差所致目标校正光波质量影响的分析计算,并将其与前期信标非等晕问题的数值建模相结合,获得了不同非等晕机制下理论与实验相互映证的结果。该实验研究结果的取得,增强了对瑞利信标非等晕问题的感性认识。     

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…     

星载自适应光学系统的双导星信标理论研究

星载相机的波前畸变主要来源于两个部分:由于温度场、重力场变化引起的相机光学系统自畸变;由于大气湍流引起的波前误差。为获得高分辨率的图像,需要校正波前误差。提出一种对星载光学系统波前畸变进行有效探测的技术。星载激光器分时产生钠导星和瑞利导星,前者用于校正自畸变,后者用于校正大气湍流造成的波面像差。针对该方法对激光能量的要求,建立了双导星信标系统的数值模型,并进行仿真。结果表明,该方法对激光器的要求,在目前是可以实现的。该方法可以用于空间相机光学系统的波面畸变探测,从而为星载自适应光学的进一步研究提供依据。     

基于激光跟踪仪的天基望远镜安装测量技术

根据天基硬X射线调制望远镜的总体设计要求,提出了望远镜测量坐标系与星敏感器坐标系一致性测量原理,在分析被测对象特点的基础上,设计了基于激光跟踪仪的测量方案,并设计了人造星源等辅助测量装置,分析了测量精度,给出了望远镜坐标系和星敏感器坐标系的具体测量步骤,总结了测量方案的一系列特点,最后指出了下一步研究方向。     

激光在大型望镜中应用

简述激光在大型天文望远镜中应用，如激光人造星，测量４．３ｍ主镜面形，自准调校恒星光干涉仪和程差补偿测量，望远镜筒主副镜间相对倾角和弯沉测量等。     

激光在大型望远镜中应用

简述激光在大型天文望远镜中应用，如激光人造星，测量４．３ｍ主镜面形，自准调校恒星光干涉仪和程差补偿测量，望远镜筒主副镜间相对倾角和弯沉测量等。