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微秒脉冲激光钠导引星星群技术研究

时间:2022-10-03 点击量: 2023

以下文章来源于光电e+ ,作者红外与激光工程


导读


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扰动引起的波前畸变,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。


本文重点介绍了微秒脉冲激光钠导引星星群的产生,基于100W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20W/束、重复频率kHz、脉冲宽度百微秒的钠激光发射到电离层,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。


研究背景


钠导引星是利用特定波长589 nm黄激光激发距地面90~110 km高空中钠原子发出共振荧光形成的,它又被称为钠信标,用来导引自适应光学系统对大气湍流扰动导致的波前畸变进行校正,使光学/红外波段望远镜的分辨率达到近衍射极限。目前,大多数天文望远镜都采用单层共轭自适应光学技术(SCAO),只通过一个钠导引星探测波前畸变,再由一个变形镜快速补偿。然而,由于钠导引星的生成高度有限以及钠导引星和待观测目标间的夹角而引入的非等晕误差,SCAO只能在一个较小的视场范围内获得清晰成像,限制了大口径望远镜的观测能力。为了实现更大视场内的高分辨率目标成像,在1989年提出了多层共轭自适应光学技术(Multi-conjugate adaptive optics, MCAO),利用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,通过交叉探测补偿方法,使望远镜突破以上限制,多个变形镜可校正沿不同方向和不同高度的畸变信息,重构出大气湍流三维波前。


2012年,美国Gemini South天文台率先采用5颗10 W级连续波人造钠信标来补偿大气湍流的实验,高达80″的视场内,在近红外波段提供了近衍射极限的图像质量,成功验证了MCAO系统的优势。但在实际应用中发现,在采集钠导引星图像时受到来自低层大气的多束瑞利散射光柱影响,波前传感器上存在较大的残余噪声,成为激光导引星MCAO发展亟需解决的关键技术问题。采用准连续微秒脉冲钠导引星激光,通过时间/距离选通技术可去除瑞利散射干扰,解决了星群系统中多光束串扰现象,从而提高自适应光学探测信噪比和整体性能。因此,欧洲8 m望远镜VLT、在建的国际30 m望远镜TMT、欧洲极大望远镜E-ELT等正在大力发展无串扰现象的微秒脉冲钠导引星星群技术。


主要内容


文中采用一台发射望远镜将四路钠激光束射向天空,实现了四颗无瑞利散射干扰的钠导引星星群。与配备四个发射望远镜完成四束激光投射的ESO VLT系统相比,这种方法提供了更高的可靠性、更好的灵活性、更低的成本和更简单的部署。钠导引星星群天空测试的总体实验布局如图1所示,主要包括钠信标激光系统、发射和接收望远镜系统。


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图1  钠导引星星群系统的实验装置


为了采用一台发射望远镜发射多束激光束,设计并采用了一种小角度精确偏振合束和分光的方法。其中,100 W级钠激光采用了重复频率为500 Hz的两台50 W级脉冲钠激光源1和钠激光源2的时序偏振非相干合成方案,合成效率高达96%,合成后的光束有一定间隔,光束质量保持不变;与相干合成方法相比,该技术具有结构简单、稳定好、效率高的优势,光束间互不影响,且整个系统无需复杂的相位控制机制。半波片、偏振分束器和高反镜配合使用,将每一束钠激光再分成两束。最后,四束部分重叠黄色激光束被注入到发射望远镜,扩束准直成300 mm发射到天空。


中国科学院理化所与光电所、国家天文台合作,于云南丽江1.8 m望远镜上进行激光导引星星群实验研究。如图2所述,发射望远镜安装在接收望远镜的一侧,两台50 W级脉冲钠激光器、偏振合束和分光系统及光电信号控制系统固定在发射望远镜附近的殷钢底板上。在地面时,由于四束黄色光束之间的距离和角度较小,看似一束光斑直径较大的激光束,但发射到大气中间钠层后四束激光完全能分开,并分别激发钠原子获得高亮度的钠导引星。


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图2  两台钠信标激光器安装在1.8m望远镜上


图3为CCD 捕捉到的钠激光导引星成像,在一个40″的正方形星座上有一个独立的4颗星点分布,通过控制压电陶瓷促动器调节分光反射镜与x轴的夹角,可使单颗导星沿水平方向分开,调节与y轴的夹角,可使单颗导星沿竖直方向分开,在两个方向上不同角度的组合使得星群构型可变为线形、平行四边形和菱形等。通过调焦使激光束在天空中产生的钠导引星最小光斑尺寸约为3.25″。


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图3  不同形状的钠激光导引星星群和瑞利散射图像


在测量了正交的线偏振态和正交的圆偏振态情况下,单颗钠导引星光子数流量随发射激光功率的变化,结果如图4所示,在最大输出功率下,正交圆偏振光比正交线性偏振光对钠原子的激发效率提高了约45%,这与之前左旋/右旋圆偏振光测试结果符合的很好,表明正交圆偏振激光与圆偏振光一样可以高效抽运钠原子。根据回光流量和天体星等之间的关系,估算单颗激光导引星亮度约为V波段8等星。此外,准连续脉冲激光可以利用由生成高度不同导致的回波时间差,通过控制斩波器运转与探测到的钠导星回波同步,可阻断瑞利散射光进入到CCD,又不影响接收钠导星的光子数流量,探测信噪比显著增强3~4倍,便于后续自适应光学系统闭环工作。


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图4  正交圆偏振和正交线偏振的钠导引星回波强度


结论与展望


随着地基望远镜的口径越造越大,为满足高分辨率、高灵敏度、大视场的天文观测需求,发展激光钠导引星星群技术是关键。文中采用一种小角度精密偏振分光/并束调控方法,在丽江天文台1.8 m望远镜上,通过一台发射望远镜产生了微秒脉冲激光钠导引星星群,在40″观测视场内实现了构型可调控的四颗导引星,如线形、平行四边形、菱形、正方形等,每颗星亮度约8等星,光斑大小约3.25″。实验中,将激光的正交线性偏振态转化为正交圆偏振态后,由于光学泵浦作用,激发效率提高了1.5倍左右。此外,通过脉冲同步控制技术成功去除了瑞利散射对钠导引星光斑的污染,可获得高信噪比波前探测,提高对观测目标的成像质量,这一结果将有助于推动大型地基光学望远镜中MCAO技术的发展。


原文链接:


http://www.irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20220321