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。     

瑞利信标自适应光学系统的波长选择与信标亮度

从大气特性出发对以瑞利散射作为信标的自适应光学系统的激光波长选择与信标的亮度作了分析，并以昆明地区应用６１单元自适应光学系统为例作了计算，结果表明在３０８－３２５ｎｍ的五种激光以及３５０ｎｍ附近的准分子激光和三倍频ＹＡＧＧ激光中所需的能量最少，但若顾及应用的方便性，倍频效率的差异以及大气的色散和相干性，采用５３２ｎｍ倍频Ｎｄ：ＹＡＧ激光也值得考虑，在接收的选通距离与星标厚度相当时应采用质量较好的激     

1.8米望远镜钠信标自适应光学系统的高对比度成像性能研究

系外行星的直接成像是当今国际天文学研究的热点,而对潜在的系外行星候选体进行大面积普查将是未来十年天文学的迫切需要。国际上中小型2 m级望远镜上部署的ROBO-AO瑞利激光信标自适应光学系统（AO）,可以灵敏而快速地删察系外行星候选体。但瑞利信标高度引起的聚焦非等晕效应是限制其行星探测能力的重要因素。基于1.8 m望远镜61单元钠信标自适应光学系统优化构建系外行星高对比度成像系统,它将在近红外波长范围内提供系外行星的高对比度成像。通过对钠信标AO高对比度成像过程的仿真,发现在理论上,钠信标AO系统的系外行星高对比度成像性能优于ROBO-AO,即在2 h曝光时间内,可以实现与母恒星光通量比为4×10?7的行星的直接成像,而相同环境下,ROBO-AO系外行星直接成像能力为1×10?6,其中行星与恒星的角间距为1'。     

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。     

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。     

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。     

钠多普勒激光雷达大气参数反演方法

钠多普勒激光雷达以75～110 km大气层中的Na原子为示踪物,由接收到的共振荧光散射回波光子数反演该高度范围内大气温度、风场及钠原子数密度廓线.研究钠激光雷达大气风场和温度反演的方法,分析激光雷达光子计数中的脉冲堆积效应和钠层吸收对反演结果的影响,并提出改正方法.将该方法用于美国伊利诺斯大学激光雷达实测数据的反演,反演结果与该大学的结果相符合,验证了反演方法的正确性.最后对测量数据进行了误差分析,给出噪声光子数引起的误差剖面及实验测量精度.     

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。     

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.     

光纤光栅外腔半导体激光器的理论及实验研究

对影响光纤光栅外腔半导体激光器特性的几个重要因素(光纤光栅长度、耦合系数、内腔反射系数)进行了理论分析和数值模拟。从实验上进行了验证,实测了不同反射率情况下激光器的激射光谱,得到了带宽为0.1nm、出纤功率达417.4μW、边模抑制比高达37.9dB的激光谱线。验证的结果表明,理论分析、数值模拟、实验结果是吻合的。     

同轴型激光器焊后偏移的理论与实验研究

为了研究同轴型激光器激光焊接产生的焊后偏移(PWS),采用基于有限元热-结构耦合理论的分析方法,建立了同轴型激光器3束激光焊接模型,分析了激光焊接工艺参量对焊后偏移的影响规律,并进行了激光锤校正实验研究,获得了同轴型激光器激光焊接前后及校正后的耦合光功率值。结果表明,同轴型激光器的焊后偏移受到3个焊点功率分布和位置分布等因素的影响;耦合光功率在激光锤校正后整体呈上升趋势,最大耦合光功率可恢复至94%,有限元仿真分析对PWS的方向预测合理。这一结果对激光焊接同轴型激光器的生产具有一定的指导意义。     

半导体抽运的叠片热容激光器理论和实验研究

报道了半导体抽运的Nd:YAG叠片热容激光器的理论与实验研究,并用热容激光器的理论模型计算了在一定的工作时间和介质温升内激光输出特性,用Zemax软件对其抽运结构进行了模拟计算。实验中采用的4片Nd:YAG晶体尺寸均为63.5 mm×38.5 mm×7 mm,抽运平均功率约110 W,重复频率为10 Hz,占空比为0.2％,获得了最大19.1 W的1 064 nm激光输出,光光效率约17.4％。最后对两种抽运结构的叠片激光器进行了比较,提出了下一步的改进方案。     

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。     

半导体泵浦铷蒸气激光器理论与实验对比研究

以三能级速率方程理论为基础,结合具体实验,研究了单程泵浦铷蒸气激光器的输出特性.理论计算了铷激光器中泵浦光线宽、输出耦合率和铷室温度的最佳取值范围,以及输出功率与泵浦功率关系曲线,并分别与实验进行了对比.结果显示实验值与理论结果符合较好,验证了计算模型的适用性.     

Theoretical and experimental study of pulse-amplitude-equalizationin a rational harmonic mode-locked fiber ring laser

A simple technique, based on nonlinear polarization rotation, for the amplitude equalization of high repetition rate pulses generated from a rational harmonic mode-locked fiber ring laser was demonstrated. Amplitude equalized pulses at 10 GHz (the fourth rational harmonic) were obtained with a harmonic component suppression ratio up to 30 dB. A theoretical explanation was given in detail, which indicates that, after pulse amplitude equalization, the situation of unequal pulse spacing can be improved to a certain extend