提高钠导星效率方法研究

CIOMP OpenIR

	提高钠导星效率方法研究
	刘杰
学位类型	博士
导师	王建立
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	钠激光导星光学泵浦光学再泵浦光束质量畸变大气湍流自适应光学瑞利散射
摘要	钠激光导星是现代地基大口径自适应光学望远镜的关键技术之一,可以有效克服因自然导星数量不足导致的天空覆盖率低等问题。为了保证质心提取和波前重构的精度,自适应光学系统波前探测器要求导星达到一定的亮度,同时有较小的角宽度。而实际应用中由于激光功率低、激光模式与钠原子谱线耦合效率低、光束质量差及激光传输过程光学畸变等多种因素的作用,往往难以获得理想的钠导星光斑。基于这些问题和工程应用的需要,本论文开展了对钠导星发射系统进行优化以提高导星效率的方法研究,主要完成了以下的工作。首先简要介绍了自适应光学技术和两种激光导星技术的基本原理及其应用情况,总结了国内外在提高钠激光导星效率方面的研究工作。然后从钠原子物理特性及其与激光相互作用等角度,分析与总结了影响钠原子D_2谱线跃迁及辐射的各种因素。紧接着从激光光束传输的角度,探讨了影响该过程的三个主要因素:光束质量、光学系统畸变和大气湍流。本文选取四个具体方面开展了提高钠导星效率优化研究,分别为光学泵浦优化、光学再泵浦优化、激光扩束传输光路畸变校正,以及提出一种基于瑞利后向散射的上行链路部分大气湍流校正方法。搭建了一套钠激光导星发射和观测实验系统,包括589nm激光器、激光扩束发射光路和2m观测望远镜平台,并在此平台上完成了部分技术的外场效果验证。为了实现光学泵浦,采用了圆偏振光激发钠原子。通过在光路中以特定角度插入四分之一波片,开展了外场实验,将共振散射光有效提高了31.9%。为了充分利用处于F=1基态的钠原子,实现光学再泵浦,采用了电光调制晶体将D_(2a)谱线激光约10%能量调制至D_(2b)谱线,实现双谱线激发钠原子,外场实验表明该方法可有效将钠导星返回光子数提升了25.6%。为了消除光路畸变对钠激光远场分布的影响,提出了采用自适应光学技术校正光路畸变的方法,主要用于校正激光扩束传输光路的固有像差、装调像差以及长时间应用后因机械变形导致的像差。采用了两种方法初步实现了外场实验研究。第一种方法使用干涉仪和37单元变形镜组成自适应闭环系统,对自行加工装调的主扩束转折光路进行检测与校正,同时还插入了哈特曼波前探测器用于辅助闭环。外场实验结果表明,当发射光路中约0.38λrms的畸变得到校正后,激光能量在钠层分布有效改善,导星光斑的中心灰度峰值提高了35.5%,而FWHM宽度则减小了13.5%。第二种方法采用无波前SPGD算法,利用相机和变形镜组成闭环系统校正光路畸变,虽然变形镜存在一定的问题,仍然获得了导星光斑中心灰度峰值提高7.2%、FWHM宽度减小10.9%的实验效果。最后,本文提出了一种基于瑞利后向散射校正部分大气湍流的方法。激光在向上传输的过程中,不可避免的会受到大气分子散射,但这些散射光也携带了其高度以下的大气湍流畸变信息。因此,在钠激光脉冲模式满足瑞利探测的要求时,可充分利用瑞利散射测量采样高度以下大气湍流;而在不满足要求时可增加另一波长的脉冲激光用于产生瑞利信标。本文对第二种方法进行了初步分析与设计,根据给定的输入参数,计算了所需要激光功率、瑞利采样高度和深度、自适应光学系统规模等,论证了方法的可行性。基于此还提出一种同时校正发射光路畸变和部分大气湍流的方法。上述方法不但可以克服大部分大气湍流的影响,获得接近理论分布的导星光斑,也可以增强钠激光导星系统的环境适应性,增大激光发射口径。本文所研究的技术方法均可有效增加钠激光导星回波光子数或减小光斑角宽度,具有高度的工程可行性,对提高自适应光学系统性能、扩大天文望远镜高分辨率成像探测范围具有重要的意义。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61690
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	刘杰. 提高钠导星效率方法研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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提高钠导星效率方法研究.caj（5548KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文