基于长脉冲光源的钠信标回光特性实验研究

采用与信标发射接收系统参数匹配的长脉冲光源,可在脉冲回光时间内产生较亮星等的钠信标,既有利于提高信标探测的信噪比,也有利于实现自适应光学系统的高频闭环校正.基于450 mm直径望远镜和大能量长脉冲光源,开展了钠信标探测实验,得到了长脉冲光源产生的钠信标回光特性.通过CCD和光电倍增管,采集得到了不同发射能量、出射偏振态下的回光强度,并获得了最大强度为15万光子/m2/pulse的回光,对应脉冲回光时间内约4.1等星的亮度.分析推算了实验条件下钠原子的柱密度.实验全过程未出现明显的饱和现象,验证了采用长脉冲钠信标光源避免饱和效应、得到高亮度钠信标的可行性.     

人造钠信标角度非等晕性的实验研究

为实际验证较大角度偏移(θ≈50μrad)条件下人造钠信标探测光路与科学目标光路之间经历大气湍流波前畸变的相关特性及其影响,开展了基于时序同步探测的人造钠信标角度非等晕性实验测量研究,利用单哈特曼波前传感器实现了对自然星回光点阵以及50μrad角度偏移钠信标共振回光点阵的同步测量,获得了时序同帧钠信标与自然星回光的波前序列,并从两者波前二维分布及Zernike模式的统计相关性、非等晕误差的Zernike模式统计分布特性及其对目标成像影响等方面对实验结果进行了较全面的分析.结果表明,50μrad的角度偏离导致两者波前仅低阶模式之间保持着一定相关性(如第3—9阶),而非同轴钠信标偏离望远镜接收口径的大气湍流误采样带来其探测波前与自然星波前之间部分高阶模式相关性的严重退化,致使目标成像点扩散函数Strehl比(0.31—0.22)、光学质量β(2.70—3.35)的下降,该影响不容忽视.最后,依据实验大气条件完成非等晕误差测量结果与理论计算结果的对比分析,获得了理论与实验相符的结果.     

基于距离选通成像系统的水下目标探测技术研究

 基于距离选通原理,采用波长为532 nm、脉冲宽度为20 ns的Nd∶YAG激光器和距离选通ICCD成像系统,通过脉冲激光照射水下目标,ICCD系统同步选通接收,对漫射衰减系数约为0.45的8 m水深内的水下目标的成像能力进行了实验研究,获得了10 ns的图像选通效果和7 m的探测能力。实验结果表明,距离选通成像方法是一种快速、有效的水下目标探测和识别手段。     

全固态腔外和频589nm钠信标激光器

钠信标和瑞利信标是目前科学家们仅能采用的两种人造激光信标,而其中钠信标相比瑞利信标高度更高、斜程误差更小,更适合用于人造激光信标,将会在天文观测中得到应用。因此研制钠信标光源对于自适应光学校正具有重要的意义。由于钠原子吸收特性,钠信标光源的中心波长必须与钠原子的D2a吸收线（589．159nm）对准,且激光线宽小于3GHz,因此突破大功率钠信标光源技术面临诸多困难与挑战。     

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)].     

距离选通激光水下成像系统的门控信号对图像质量的影响

研究了水体的前后向散射光和目标反射光的传输特性,运用脉冲激光器和增益型CCD(ICCD)搭建了距离选通激光水下成像实验系统,建立了计算距离选通激光水下成像系统光信号的数学模型,分析了图像对比度传递系数与门控信号的关系.编制计算机程序,根据所搭建实验系统参数计算并绘制了距离选通激光水下成像系统门控信号与图像对比度传递系数的关系曲线,提出了距离选通激光水下成像系统最佳门控策略.数值计算和实验结果表明:在ICCD未饱和的情况下.精确开门得到的图像质量最高,不论是滞后开门或是提前开门都会使图像分辨率有所下降,但滞后开门比提前开门较为有利,并且选通门开启的持续时间则应取激光脉宽的1～3倍.     

激光照明水下目标距离选通成像系统的研制

基于水下目标探测的应用需求,研制开发了一套激光水下距离选通成像系统。系统采用波长532 nm、最大单脉冲能量400 mJ的Nd:YAG脉冲激光器作为照明光源,采用最小选通门宽3 ns、像元10241024的ICCD相机作为门选通器件和图像记录器件,利用DG535型数字脉冲发生器作为精确延时和同步控制器件实现激光脉冲和ICCD相机选通门的同步以实现距离选通功能。利用该系统在某水库进行了水下目标探测实验,实验结果表明,该系统可在6.5倍的衰减长度上识别目标,在8倍衰减长度上发现目标。     

30W级第二代钠信标激光器研究

采用Nd:YAG 1064与1319 nm激光在非线性晶体 LBO中和频,获得了高功率、高光束质量、窄线宽的准连续微秒脉冲钠信标激光.该钠信标激光平均输出功率为33 W,光束质量因子M2＝1.25,线宽小于0.4 GHz,波长为589 nm,并可精确调控到钠原子D2谱线,稳定性优于±0.3 GHz,重复频率为500 H...     

激光距离选通成像门宽对图像信噪比影响

为了解不同激光测距精度下的选通成像信噪比,本文利用外场实验系统对不同门宽条件下的图像信噪比进行了分析。首先,根据激光距离选通成像理论建立作用距离模型,初步确定系统各项参数。在此基础上,构建外场实验系统,并利用实验系统进行外场实验研究。对不同门宽条件下的图像进行分析对比,获得门宽与图像信噪比关系曲线。实验结果表明:在门宽2 μs范围内,图像信噪比≥8,图像质量满足自动识别要求,充分证明了距离选通成像系统对测距精度要求较低,完全满足实际应用需求。     

宏-微脉冲激光激发钠信标回波光子数的数值计算与探讨

当采用低功率的宏-微脉冲激光激发钠信标时, 尽管激光传输和钠信标光斑大小受到大气湍流影响, 但是钠信标具有回波光子数无起伏且激发品质因数高的优点. 除此之外, 宏-微脉冲激光激发钠信标还与激光的宏脉冲线型有关. 对于高斯线型的宏脉冲, 增大微脉冲的宽度有利于提高激发钠信标的品质因数和激发态概率. 为了获得更多的钠信标回波光子和较小的钠信标半径, 增大激光功率的同时要考虑良好的光束质量、适当的激光发射口径以及光谱宽度等影响因素. 因此, 优选宏-微脉冲激光的参数、发射口径、发射方式等对于激发优良特性的钠信标有着重要的现实意义.     

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。     

Frequency Stabilization of a Microsecond Pulse Sodium Guide Star Laser with a Tilt-and Temperature-Tuned Etalon

A frequency stabilization approach is introduced for the microsecond pulse sodium beacon laser using an intracavity tilt-and temperature-tuned etalon based on a computer-controlled feedback system connected with a fast high-precision wavelength meter. The frequency stability of the sodium beacon lasers is compared with and without feedback loop controlling. The output wavelength of the laser is locked to the sodium D_(2 a) absorption line(589.159 nm) over 12 h with the feedback loop controlling technology. As a result, the sodium laser guide star is successfully observed by the telescope of National Astronomical Observatories at Xinglong. This approach can also be used for other pulses and continuous-wave lasers for the frequency stabilization.     

强湍流效应下不同信标波长的自适应光学校正

激光在大气中长距离传输时所产生的相位不连续点的数目与位置不仅与大气湍流和传输距离有关，而且与传输的激光波长有关。由于对主激光进行补偿的相位是从畸变的信标光场中获得的，当畸变光场中出现相位不连续点后，畸变光场的相位由连续相位部分和不连续相位部分组成，不连续相位部分直接与畸变光场中出现的相位不连续点的数密度和其所在的位置有关，一般情况下，主激光的波长与信标光的波长是不同的，因此当主激光的波长一定后，为了对不连续相位进行补偿，以便提高强湍流效应条件下的自适应光学校正能力，必须要考虑合作信标的波长。计算结果表明，考虑了不连续相位的影响后，虽然对主激光的校正效果有所改善，但对不同波长的信标改善的效果并不相同，只有信标光波长稍长于主激光的波长时，校正效果才有明显的改善。     

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.     

Tunable continuous-wave laser at quasi-three-level with a disordered Nd:LGS crystal

A diode-pumped tunable CW Nd(3+):LGS laser at quasi-three-level has been demonstrated. The output power up to 403 mW at the central wavelength of 904 nm was obtained, corresponding to a slope efficiency of 29.7%. Taking advantage of the broad emission spectrum of the disordered crystal Nd:LGS, we tuned the laser wavelength within the spectral range of 899.8 to 906.6 nm with an etalon inserted into the V-type cavity. To the best of our knowledge, it is the first time to obtain a tunable laser based on the (4)F(3/2)-(4)I(9/2) transition of Nd(3+)-doped crystals.     

低损耗薄膜背散仪吸光器的关键技术研究

激光高反射膜片的背散光大小直接影响激光陀螺的精度,低损耗薄膜背散仪是在全积分散射测试理论及立体角积分散射测量原理的基础上提出的一种测量高反射膜片背散光的新方法.在低损耗薄膜背散仪的设计中,吸光器的吸光装置结构及吸光材料的选择直接影响着测量精度.计算表明,在用波长λ=632.8nm、激光功率P=10mW的氦氖激光照射至与...     

信标光波长对全场补偿的影响

 激光在近水平长距离传输时,闪烁效应会影响自适应光学的校正效果。在Rytov近似下,导出了纯相位补偿方差和全场补偿方差与信标光波长的关系,研究了信标光波长对补偿效果的影响。结果表明,当信标光的波长与主激光波长之比小于1.89时,全场补偿的方差小于纯相位补偿的方差。     

大气色散效应对信标应用的影响研究

计算了由于大气色散效应造成的信标光与发射主激光的实际天顶角之间的角间距 ,其中考虑了天气条件、地理位置、发射天顶角和信标波长等影响因素。结果表明 :发射天顶角和信标波长对信标偏离角间距的影响较大 ,而天气条件和地理位置的影响相对较小。发射天顶角越大 ,角间距越大。信标波长应尽量靠近发射光波长 ,同时 ,应优选波长大于发射光的信标。