長空煉星——用激光鈉導(dǎo)星點亮星空探索的道路

　　一、背景介紹

　　在天文觀測中，發(fā)射具有特定精細譜線結(jié)構(gòu)的589nm激光，激發(fā)距地面80km~110km的高空鈉層原子，產(chǎn)生共振熒光的后向散射回光作為導(dǎo)引星，可為地面自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)提供較為理想的大氣波前畸變信息，有利于提高大口徑望遠鏡的深空觀測能力。

　　鈉導(dǎo)星探測屬于光子級微光探測，其后向共振熒光散射強度與大氣傳輸效率、地磁場、以及泵浦激光參數(shù)(波長、線寬、偏振、功率)等諸多因素密切相關(guān)。因此，提高鈉導(dǎo)星回光亮度以獲得高信噪比的激光導(dǎo)星波前成像點陣，是鈉導(dǎo)星應(yīng)用研究中特別關(guān)注的問題。

　　二、創(chuàng)新研究

　　中物院應(yīng)用電子學(xué)研究所陳天江研究員、中科院光電技術(shù)研究所李新陽研究員的項目團隊開展了鈉導(dǎo)星回光強度驗證實驗，通過調(diào)整輸出激光的偏振態(tài)、中心波長、譜線線寬參數(shù)等技術(shù)手段，探索了各種泵浦條件下的回光強度的變化規(guī)律，定性驗證了鈉熒光散射模型的分析結(jié)果，為進一步開展高亮度鈉導(dǎo)星技術(shù)研究提供了保障。

　　該團隊采用兩臺具備精確譜線控制能力的大能量、百微秒脈寬的脈沖體制鈉導(dǎo)星激光器作為泵浦激光光源，進行偏振合束發(fā)射，利用米級口徑望遠鏡，結(jié)合高靈敏度可見光相機，采用時序同步選通技術(shù)、分孔徑收發(fā)工作模式對鈉導(dǎo)星回光圖像進行探測(圖1)。

　　圖1 鈉導(dǎo)星回光同步探測實驗系統(tǒng)示意圖

　　實驗中，通過高精度調(diào)整和穩(wěn)頻技術(shù)，可實現(xiàn)兩束激光的中心波長調(diào)整和頻率鎖定，調(diào)整范圍覆蓋鈉原子吸收譜的D2a和D2b線;對中心波長分別對應(yīng)D2a線和D2b線、偏振態(tài)正交的兩束激光進行偏振合束，經(jīng)四分之一波片后即可獲得圓偏光輸出(圖2)。

　　圖2雙線鈉導(dǎo)星激光器原理示意圖

　　通過白噪聲源驅(qū)動電光相位調(diào)制器，實現(xiàn)對泵浦激光的光譜展寬, 獲得500MHz以內(nèi)的多檔位線寬的589nm激光。通過光路上的四分之一波片實現(xiàn)泵浦光從線偏光到圓偏光的切換。

　　用高靈敏度可見光CCD可拍攝到鈉導(dǎo)星標志性“驚嘆號!”圖像(圖3)。圖中的亮黃色光柱是近程20km以內(nèi)大氣散射泵浦激光的瑞利回光，稍暗的圓點是泵浦激光在90km高空中激發(fā)出的導(dǎo)星。

　　圖3 旁路相機探測到的鈉導(dǎo)星“驚嘆號!”圖像

　　通過時序選通，屏蔽近程瑞利回光，獲得了單幀鈉導(dǎo)星的典型回光點陣平面圖及其剖視圖(圖4)。

　　圖4 旁路相機探測到的鈉導(dǎo)星典型單幀回光點陣平面圖和剖視圖

　　通過調(diào)整泵浦激光參數(shù)，對鈉導(dǎo)星回光進行采集分析，取得了高能量多縱模百微秒脈沖鈉導(dǎo)星激光泵浦大氣鈉層的一系列回光強度數(shù)據(jù)，研究了偏振選擇、雙線激發(fā)以及線寬展寬等多種泵浦模式下的回光強度。

　　實驗結(jié)果表明，在同等泵浦功率密度條件下，采用雙線圓偏光泵浦鈉層可獲的導(dǎo)星回光。圓偏光泵浦回光強度約為線偏光的1.5倍;雙線泵浦回光強度達到了單線泵浦的2倍;譜線展寬條件下的回光強度可達自然線寬時的1.5倍。

　　三、總結(jié)與展望

　　精密控制泵浦激光譜線是獲得鈉導(dǎo)星穩(wěn)定回光強度的重要手段，基于圓偏光雙線展寬泵浦的鈉導(dǎo)星工作模式是實現(xiàn)鈉層原子高效激發(fā)和獲得高亮度回光的有效途徑。

　　項目團隊未來將在較好站址進一步開展鈉導(dǎo)星回光探測科學(xué)試驗，結(jié)合相關(guān)技術(shù)措施，提高有效回光數(shù)據(jù)儲備，探索和驗證與鈉層原子速度群吸收截面更加匹配的泵浦激光譜線精密可控參數(shù)，進一步提高導(dǎo)星高效激發(fā)技術(shù)。

      參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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