激光实际大气水平传输湍流畸变波前的功率谱分析Ⅱ: 波前相位与格林伍德频率

分析了整体倾斜像差去除前后大气湍流畸变波前相位的功率谱。 在激光实际大气水平传输实验中, 利用61单元自适应光学系统的哈特曼波前传感器, 测量和分析了大气湍流畸变波前相位的功率谱。 还建立了一种根据实际测量的波前相位功率谱数据估测自适应光学系统变形镜需要控制带宽大小和大气湍流格林伍德(Greenwood)频率的方法。     

激光实际大气水平传输湍流畸变波前的功率谱分析II:波前相位与格林伍德频率

分析了整体倾斜像差去除前后大气湍流畸变波前相位的功率谱。在激光实际大气水平传输实验中 ,利用 6 1单元自适应光学系统的哈特曼波前传感器 ,测量和分析了大气湍流畸变波前相位的功率谱。还建立了一种根据实际测量的波前相位功率谱数据估测自适应光学系统变形镜需要控制带宽大小和大气湍流格林伍德 (Greenwood)频率的方法。     

激光实际大气水平传输湍流畸变波前的功率谱分析Ⅱ：波前相位？…

分析了整体倾斜像差去除前后大气湍流畸变波前相位的功率谱。在激光实际大气水平传输实验中,利用６１单元自适应光学系统的哈特曼波前传感器,测量和分析了大气湍流畸变波前相位的功率谱。还建立了一种根据实际测量的波前相位功率谱数据估测自适应光学系统变形镜需要控制宽大小和大气湍流格林伍德（Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ）频率的方法。     

激光大气水平传输湍流畸变波前的功率谱分析I:波前整体倾斜与泰勒频率

利用自适应光学系统的哈特曼 (Hartmann)波前传感器 ,测量了激光实际大气水平传输湍流畸变波前中整体倾斜像差的时间功率谱 ,发现功率谱谱形与科尔莫戈罗夫 (Kolmogorov)湍流理论不完全符合。建立了一种根据实际测量的整体倾斜功率谱估测自适应光学系统倾斜镜需要的控制带宽大小和大气湍流的泰勒 (Tyler)频率指标的方法。     

激光大气水平传输湍流畸变波前的功率谱分析I：波前整体倾斜与泰 …

利用自适应光学系统的哈特曼（Ｈａｒｔｍａｎｎ）波前传感器,测量了激光实际大气水平舆湍流畸变波前中整体倾斜像差的时间功率谱,发现功率谱谱形与科尔莫戈罗夫（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ）湍流理论不完全符合,建立了一种根据实际测量的整体倾斜功率谱估测自适应光学系统斜镜需要的控制带宽大小和大气湍流的泰勒（Ｔｙｌｅｒ）频率指标的方法。     

自适应光学系统控制效果分析的功率谱方法

 用H-S 波前探测器得到校正前后波前相位时间功率谱, 分析了自适应光学控制系统对大气湍流扰动波前的时域校正效果。用这种方法比较了61单元自适应光学系统分别采用P-I 控制算法和Smith 纯滞后补偿控制算法对实际大气湍流扰动波前进行补偿实验时的校正效果。     

自适应光学系统波前校正残余误差的功率谱分析方法

采用比较自适应光学系统闭环校正前后时间功率谱人方法,对自适应光学系统的波前校正残余误差进行了分析。在注意噪块时,实测的闭环波前复原相位误差与「实际波前校正残余误差是有区别的,分析了两者功率谱的差别之后,提出了一种估计实际波前校正残余误差的方法,应用这种方法对１．２米望远镜高分辨力自适应光学系统所采集的复原相位数据方差和波前校正残余误差进行了对比。     

激光导引星自适应光学系统对大气湍流低阶像差校正效果分析

 在对大气湍流相位扰动进行Zernike多项式展开的基础上,通过对信标和目标光的Zernike系数相关因子的推导, 得到了实际自适应光学系统（系统存在时间滞后和有限的空间分辨率）对相位扰动各阶像差的校正残差公式。同时结合实际,对瑞利导星以及钠导星自适应光学系统补偿大气湍流各阶像差的能力进行了计算和分析,为实际自适应光学系统的设计提供了理论参考。     

大气风速对大气传输光束相位特性的影响

采用功率谱反演法构建湍流相位屏,通过横向平移相位屏的方法模拟大气风速引起的湍流时间变化,进而模拟分析了包括时间进程的激光大气传输特性,从波前相位功率谱密度的角度,定量分析了大气风速引起的激光束在大气湍流中传输时的相位特性变化。在此基础上,采用影响函数模拟变形镜对畸变波前的校正作用,对激光束经大气湍流传输后的自适应校正效果进行了预估,分析了大气风速对校正效果的影响。结果表明,大气风速对边界层湍流中光束相位特性的影响很小,然而,对于自由大气湍流中的传输光束,大气风速越大,波前相位畸变程度越大,畸变波前中高频相位比例也越大;环状光束的校正效果受大气风速的影响比平顶光束更小,并且,随着环状光束阶数的增大,校正效果所受影响逐渐减小;在一定相位畸变范围内,畸变程度越大的环状光束的相位校正效果受大气风速的影响越小。     

激光导引星大气湍流波前非等晕性误差的像差模式分解

激光导引星概念解决了自适应光学技术的信标问题，同时带来了无法克服的非等晕性误差。将高度聚焦非等晕性误差和角度等晕性误差统一起来考虑，分析激光导引星的大气湍流波前各阶模式的非等晕性误差，并给出了解析模型。同时分析了瑞利导星和纳导星的大气湍流波前的模式非等晕性相对误差，在没有角度偏离的情况下，90km的钠导星的模式非等晕性误差明显小于15km的瑞利导星，但是它对角度的敏感程度却远远大于端利导星。采用激光导引星的自适应光学系统用于大气湍流的校正，选择较低阶的模式校正就可以达到较好的效果，而且即使目标与导引星的偏角大于等晕角，选择低阶模式也可以达到有效的部分校正效果。     

基于布洛赫方程的多色信标回波光子数数值仿真

信标技术历经了自然信标、瑞利信标、钠信标以及信标阵列的发展过程仍无法实现真正意义上的全天空覆盖,而多色信标是大口径地基自适应望远镜实现100%天空覆盖率的有效手段之一.但是现有的多色信标的仿真模型都存在着一定的不足,特别是对一级激发中间层钠原子形成多色信标的仿真模型无法准确计算出多色信标的回波光子数.本文提出了基于布洛赫方程的仿真模型,对一级激发中间层钠原子形成多色信标回波光子数进行数值仿真,充分考虑多普勒展宽、进出作用场、碰撞以及反冲作用的影响,并采用回光效率描述回波光子数的多少.仿真结果表明,存在最优的激光器线宽使得回光效率达到最大,若采用功率密度为10 W/m~2的激光器激发中间钠层,最优线宽为18 MHz,最大330 nm回光效率为0.907 Photons/[s·sr·atom·(W/m~2)].     

Optimizing Rayleigh laser guide star range-gate depth during initial loop closing

The use of a Rayleigh laser guide star (LGS) as a wavefront reference for adaptive optics (AO) allows complete control over the distance to, and depth of, the slice of the Rayleigh plume that is selected. By altering the LGS range-gate depth (RGD) and distance at three defined stages during closed-loop operations, the LGS performance can be optimized. For the given example of a 20 km LGS on a 4.2 m telescope the application of this technique would increase the permissible RGD from 200to930 m after optimization. This can allow either an increase in LGS altitude or an increase in wavefront sensor frame rate, thereby increasing AO system performance.     

激光导星共孔径发射接收的偏振分光效率研究

在地平式折轴望远镜上开展自适应光学瑞利激光导星实验,研究了信标光束同孔径发射和接收偏振分光技术。基于镜面膜层复振幅反射特性,采用琼斯矩阵描述方法,建立了偏振分光物理模型,研究了共孔径发射和接收偏振耦合分光的效率问题,并与实验结果进行了比较。结果表明,由于镜面膜层对s光和p光的相位延迟差异,系统偏振分光效率随着望远镜的方位角旋转会发生周期性的变化,同时也受望远镜天顶角变化的影响。在研究光路反射镜相位延迟对往返分光效率影响规律的基础上,提出了提高地平式折轴望远镜激光导星共孔径发射和接收偏振分光效率,消除受望远镜方位角和天顶角变化影响的技术途径。     

Temporal variability of the telluric sodium layer

The temporal variability of the telluric sodium layer is investigated by analyzing 28 nights of data obtained with the Colorado State University LIDAR experiment. The mean height power spectrum of the sodium layer was found to be well fitted by a power law over the observed range of frequencies, 10 microHz to 4 mHz. The best-fitting power law was found be be 10(beta)nu(alpha), with alpha=-1.79+/-0.02 and beta=1.12+/-0.40. Applications to wavefront sensing require knowledge of the behavior of the sodium layer at kilohertz frequencies. Direct measurements at these frequencies do not exist. Extrapolation from low-frequency behavior to high frequencies suggests that this variability may be a significant source of error for laser guide star adaptive optics in large-aperture telescopes.     

辐射温度的数据处理方法

辐射温度是间接驱动惯性约束聚变实验中可以定量测量的重要物理量。引进了一种通过直接计算辐射通量来得到辐射温度的方法,该方法的主要优点是计算简单,避免了某些时刻不能计算辐射温度的情况。由该方法得到的辐射温度与传统方法计算结果符合较好,不确定度均为7%。通过与冲击波测量温度峰值的结果对比确认了数据处理方法的正确性。在此基础上建立了国内某大型激光装置上的新型15道软X光能谱仪的数据处理系统。     

Experimental validation of a technique to measure tilt from a laser guide star

We have experimentally demonstrated for what is believed to be the first time a method for sensing wave-front tilt with a laser guide star (LGS). The tilt components of wave fronts were measured synchronously from the LGS by use of a telescope with a 0.75-m effective aperture and from the star Polaris by use of a 1.5-m telescope. The Rayleigh guide star was formed at an altitude of 6 km and at a corresponding range of 10.5 km by projection of a focused beam at Polaris from the full aperture at the 1.5-m telescope. Both telescope mounts were unpowered and bolted in place, allowing us to reduce substantially the telescope vibration. The maximum value of the measured cross-correlation coefficient between the tilt for Polaris and the LGS is 0.71. The variations of the measured cross-correlation coefficient in the range from 0.22 to 0.71 are caused by turbulence at altitudes above 6 km, which was not sampled by the laser beacon but affected tilt for Polaris, the cone effect for turbulence below 6 km, residual mount jitter of the telescopes, and variations of the signal/noise ratio. The results support our concept of sensing atmospheric tilt by observing a LGS with an auxiliary telescope and indicate that this method is a possible solution for the tip-tilt problem.     

钠激光导星的共孔径发射接收与谱线匹配技术

研究了采用时间选通和共孔径方式的钠激光导星技术,并开展了钠信标发射接收实验研究。分析了钠原子共振散射与信标激光波长的匹配关系,介绍了钠信标激光器、距离选通装置、回光探测装置、同步控制装置等的研制工作。实验成功采集到了钠信标图像,通过分析回光图像随信标激光波长的变化规律,验证了波长匹配在钠激光导星中的重要性。     

重复高压脉冲产生与成形一体化装置研制

介绍了脉冲变压器与分布参量形成线相结合的高功率脉冲产生与成形一体技术,简要阐述了采用该技术的高压脉冲发生器的基本设计思想。研制的脉冲变压器与形成线一体化装置利用变压器的同轴开环铁芯来充当分布电参量脉冲形成线的内外导体,将脉冲功率源中最重要的两个独立部件有机结合起来,实现了结构的紧凑性。高压脉冲发生器在重复频率100 Hz、变压器工作电压1.65 MV时能够稳定运行,输出脉冲电压760 kV,峰值功率23 GW,脉冲宽度大于40 ns。     

Versatile Raman fiber laser for sodium laser guide star

Robust high‐power narrow‐linewidth lasers at 589 nm are required for sodium laser guide star adaptive optics in astronomy. A high‐power 589 nm laser based on Raman fiber amplifier is reported here, which works in both continuous‐wave and pulsed formats. In the continuous‐wave case, the laser produces more than 50 W output. In the pulsed case, the same laser produces square‐shaped pulses with tunable repetition rate (500 Hz to 10 kHz) and duration (1 ms to 30 μs). The peak power is as high as 84 W and remains constant during the tuning. The laser also emits an adjustable sideband at 1.71 GHz away from the main laser frequency for better sodium excitation. The versatility of the laser offers much flexibility in laser guide star application.