一、背景介紹

　　在天文觀測(cè)中，發(fā)射具有特定精細(xì)譜線(xiàn)結(jié)構(gòu)的589nm激光，激發(fā)距地面80km~110km的高空鈉層原子，產(chǎn)生共振熒光的后向散射回光作為導(dǎo)引星，可為地面自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)提供較為理想的大氣波前畸變信息，有利于提高大口徑望遠(yuǎn)鏡的深空觀測(cè)能力。

　　鈉導(dǎo)星探測(cè)屬于光子級(jí)微光探測(cè)，其后向共振熒光散射強(qiáng)度與大氣傳輸效率、地磁場(chǎng)、以及泵浦激光參數(shù)(波長(zhǎng)、線(xiàn)寬、偏振、功率)等諸多因素密切相關(guān)。因此，提高鈉導(dǎo)星回光亮度以獲得高信噪比的激光導(dǎo)星波前成像點(diǎn)陣，是鈉導(dǎo)星應(yīng)用研究中特別關(guān)注的問(wèn)題。

　　二、創(chuàng)新研究

　　中物院應(yīng)用電子學(xué)研究所陳天江研究員、中科院光電技術(shù)研究所李新陽(yáng)研究員的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了鈉導(dǎo)星回光強(qiáng)度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整輸出激光的偏振態(tài)、中心波長(zhǎng)、譜線(xiàn)線(xiàn)寬參數(shù)等技術(shù)手段，探索了各種泵浦條件下的回光強(qiáng)度的變化規(guī)律，定性驗(yàn)證了鈉熒光散射模型的分析結(jié)果，為進(jìn)一步開(kāi)展高亮度鈉導(dǎo)星技術(shù)研究提供了保障。

　　該團(tuán)隊(duì)采用兩臺(tái)具備精確譜線(xiàn)控制能力的大能量、百微秒脈寬的脈沖體制鈉導(dǎo)星激光器作為泵浦激光光源，進(jìn)行偏振合束發(fā)射，利用米級(jí)口徑望遠(yuǎn)鏡，結(jié)合高靈敏度可見(jiàn)光相機(jī)，采用時(shí)序同步選通技術(shù)、分孔徑收發(fā)工作模式對(duì)鈉導(dǎo)星回光圖像進(jìn)行探測(cè)(圖1)。

　　圖1 鈉導(dǎo)星回光同步探測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

　　實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)高精度調(diào)整和穩(wěn)頻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)兩束激光的中心波長(zhǎng)調(diào)整和頻率鎖定，調(diào)整范圍覆蓋鈉原子吸收譜的D2a和D2b線(xiàn);對(duì)中心波長(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)D2a線(xiàn)和D2b線(xiàn)、偏振態(tài)正交的兩束激光進(jìn)行偏振合束，經(jīng)四分之一波片后即可獲得圓偏光輸出(圖2)。

　　圖2雙線(xiàn)鈉導(dǎo)星激光器原理示意圖

　　通過(guò)白噪聲源驅(qū)動(dòng)電光相位調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦激光的光譜展寬, 獲得500MHz以?xún)?nèi)的多檔位線(xiàn)寬的589nm激光。通過(guò)光路上的四分之一波片實(shí)現(xiàn)泵浦光從線(xiàn)偏光到圓偏光的切換。

　　用高靈敏度可見(jiàn)光CCD可拍攝到鈉導(dǎo)星標(biāo)志性“驚嘆號(hào)!"圖像(圖3)。圖中的亮黃色光柱是近程20km以?xún)?nèi)大氣散射泵浦激光的瑞利回光，稍暗的圓點(diǎn)是泵浦激光在90km高空中激發(fā)出的導(dǎo)星。

　　圖3 旁路相機(jī)探測(cè)到的鈉導(dǎo)星“驚嘆號(hào)!"圖像

　　通過(guò)時(shí)序選通，屏蔽近程瑞利回光，獲得了單幀鈉導(dǎo)星的典型回光點(diǎn)陣平面圖及其剖視圖(圖4)。

　　圖4 旁路相機(jī)探測(cè)到的鈉導(dǎo)星典型單幀回光點(diǎn)陣平面圖和剖視圖

　　通過(guò)調(diào)整泵浦激光參數(shù)，對(duì)鈉導(dǎo)星回光進(jìn)行采集分析，取得了高能量多縱模百微秒脈沖鈉導(dǎo)星激光泵浦大氣鈉層的一系列回光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，研究了偏振選擇、雙線(xiàn)激發(fā)以及線(xiàn)寬展寬等多種泵浦模式下的回光強(qiáng)度。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在同等泵浦功率密度條件下，采用雙線(xiàn)圓偏光泵浦鈉層可獲的導(dǎo)星回光。圓偏光泵浦回光強(qiáng)度約為線(xiàn)偏光的1.5倍;雙線(xiàn)泵浦回光強(qiáng)度達(dá)到了單線(xiàn)泵浦的2倍;譜線(xiàn)展寬條件下的回光強(qiáng)度可達(dá)自然線(xiàn)寬時(shí)的1.5倍。

　　三、總結(jié)與展望

　　精密控制泵浦激光譜線(xiàn)是獲得鈉導(dǎo)星穩(wěn)定回光強(qiáng)度的重要手段，基于圓偏光雙線(xiàn)展寬泵浦的鈉導(dǎo)星工作模式是實(shí)現(xiàn)鈉層原子高效激發(fā)和獲得高亮度回光的有效途徑。

　　項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)未來(lái)將在較好站址進(jìn)一步開(kāi)展鈉導(dǎo)星回光探測(cè)科學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)技術(shù)措施，提高有效回光數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，探索和驗(yàn)證與鈉層原子速度群吸收截面更加匹配的泵浦激光譜線(xiàn)精密可控參數(shù)，進(jìn)一步提高導(dǎo)星高效激發(fā)技術(shù)。

      參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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