能动光学,自适应光学和激光导星

天文光学观测对于人们了解宇宙至关重要，但地基望远镜的能力受到望远镜误差和光通过大气时各种效应的严重限制，制在已能建造内装矫正器件，使得在进行观测时可补偿上述两类效应造成的成象质量恶化，为充分发挥刚刚问世的８级望远镜的潜力，这种为能动光学或自适应光学的能动矫正能力极其重要，自适应光学领域中某些物理限制可以通过人工建造参考星－激光导星而克服，这些新技术最近已成功地应用到中型和特大型望远镜上。     

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。     

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。     

自适应成像中的Na激光导星技术

大气湍流严重限制地基天文望远镜的分辩率。在最好的观测台址和良好的能见度条件下，可见光波段的分辩率一般不超过1弧秒。过去的20年中发展了采用电变形镜的自适应光学系统，用以补偿湍流效应。可惜这类系统要求被观测天体附近有明高的参考源，且只能用于观测最亮的星。通过用激光激发中圈钠层的共振反向散射，可在高层大气建立控制自适应成像系统的人造导星。本文对激光导星自适应望远镜之设计要求及预期成像行为作了评论。     

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。     

基于阵列激光导星的自适应光学波前探测数值仿真

为克服当前波前探测技术存在的固有问题,提出了一种基于阵列激光导星（Laser Guide Star,LGS）的自适应光学系统。该系统可以有效消除聚焦非等晕效应的影响从而提高系统的波前探测精度,由此大幅度增大激光导星自适应光学系统的大气湍流探测范围,从而降低自适应光学系统对导星亮度的要求。阐释了该系统的闭环工作过程,并依据其工作过程建立仿真模型,数值仿真了该系统基于阵列激光导星的波前探测过程。最后对重构波前精度进行评估,分析了仿真存在的误差。数值仿真结果显示:该系统的波前重构精度较好,校正残差为11%,初步验证了利用阵列激光导星进行波前探测的可行性。     

基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量仪设计

对基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量系统进行了研究,系统利用脉冲激光在测量区域大气层内不同高度形成信标星,以此测量地面至信标星之间的大气湍流信息。本文在分析瑞利激光导星湍流廓线测试的原理和系统组成基础上,对系统关键参数进行了优化选取,并设计了激光发射系统和差分像移接收系统,最后对系统性能进行评估。结果表明:系统可对地面高度0.2~10 km范围内的大气进行湍流廓线测量,该技术在地基天文观测、星地激光通信、地基激光武器领域具有重要的应用价值。     

星载自适应光学系统的双导星信标理论研究

星载相机的波前畸变主要来源于两个部分:由于温度场、重力场变化引起的相机光学系统自畸变;由于大气湍流引起的波前误差。为获得高分辨率的图像,需要校正波前误差。提出一种对星载光学系统波前畸变进行有效探测的技术。星载激光器分时产生钠导星和瑞利导星,前者用于校正自畸变,后者用于校正大气湍流造成的波面像差。针对该方法对激光能量的要求,建立了双导星信标系统的数值模型,并进行仿真。结果表明,该方法对激光器的要求,在目前是可以实现的。该方法可以用于空间相机光学系统的波面畸变探测,从而为星载自适应光学的进一步研究提供依据。     

不同导星数量和排布情况下地表层自适应光学系统的性能分析

基于频谱滤波理论和经典大气湍流 7 层模型, 通过地表层自适应光学 (GLAO) 系统的理论滤波器模型, 结合 有限导星条件下的误差传递函数 (ETF), 探究了不同导星数量与不同导星排布情况下地表层自适应光学系统的性能。 研究结果表明 6 颗导星呈中心 1 颗、其余 5 颗在视场边缘均匀环形分布时, 系统校正性能较优。该研究结果对正在研 制的一米新真空太阳望远镜多层共轭自适应光学 (MCAO) 系统 (含有 GLAO 系统) 具有重要指导作用和参考价值。     

基于激光钠导星的星载自适应光学系统

用于对地观测的星载光学系统受空间环境及相机内环境的影响而存在波前畸变问题,从而导致成像质量变差。为获得分辨率达到近衍射极限水平的图像,需要利用自适应光学技术对波前畸变进行自适应光学校正。提出了一种基于星外信标的自适应光学系统实现畸变波前校正的方案,并给出仿真实验,从而为星载自适应光学的进一步研究提供了依据。     

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。     

激光谐振腔内倾斜误差的自适应校正

我们设计制作了一种性能良好的倾斜镜,试验了两种校正系统:微机控制的试探爬山法系统和高频振动爬山法系统。实验结果表明,这两种校正系统,都可以成功地校正腔内倾斜误差。最后,比较了两种校正系统的优缺点。     

自适应元器件在激光加工中的应用

在激光加工技术中,自适应光学元器件的应用越来越广。介绍了自适应反射镜和透镜的原理及其在一般激光切割、厚钢板的激光锯切和三维激光焊接中的应用。     

背光照明系统导光板

本文就导光板的工作原理与结构、导光板设计、所用材料、导光板检测以及常用导光板的结构形式作了讨论,并对导光板今后的发展趋势给出了预测。     

利用变形反射镜和激光导星扩大校正视场

为了扩大自适应光学(AO)系统的校正视场,在主要湍流层的共轭面上设置两个变形反射镜(DM),即采用分层共轭自适应光学(MCAO)的方法.主湍流层的共轭面位置设置两个变形反射镜和激光导星可以将湍流层上不同高度位置产生的波前畸变进行分离,并使焦距非等晕性几乎完全消除.在自适应光学系统中,角度的非等晕性产生的波前误差主要取决于校正的模式数、大气介质折射率结构常数(C2n)的分布和系统的几何尺寸.结果表明:对于孔径为3.5 m的望远镜,利用两个变形反射镜能够达到3弧分的校正视场.