背景介紹

在天文觀測(cè)中，發(fā)射具有特定精細(xì)譜線結(jié)構(gòu)的589 nm激光，激發(fā)距地面80 km~110 km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(yuǎn)鏡的深空觀測(cè)能力。

鈉導(dǎo)星探測(cè)屬于光子級(jí)微光探測(cè)，其后向共振熒光散射強(qiáng)度與大氣傳輸效率、地磁場(chǎng)、以及泵浦激光參數(shù)（波長(zhǎng)、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(diǎn)陣，是鈉導(dǎo)星應(yīng)用研究中特別關(guān)注的問(wèn)題。

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(yáng)研究員的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了鈉導(dǎo)星回光強(qiáng)度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整輸出激光的偏振態(tài)、中心波長(zhǎng)、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(qiáng)度的變化規(guī)律，定性驗(yàn)證了鈉熒光散射模型的分析結(jié)果，為進(jìn)一步開(kāi)展高亮度鈉導(dǎo)星技術(shù)研究提供了保障。

該團(tuán)隊(duì)采用兩臺(tái)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(jìn)行偏振合束發(fā)射，利用米級(jí)口徑望遠(yuǎn)鏡，結(jié)合高靈敏度可見(jiàn)光相機(jī)，采用時(shí)序同步選通技術(shù)、分孔徑收發(fā)工作模式對(duì)鈉導(dǎo)星回光圖像進(jìn)行探測(cè)（圖1）。

圖1 鈉導(dǎo)星回光同步探測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)高精度調(diào)整和穩(wěn)頻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)兩束激光的中心波長(zhǎng)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(duì)中心波長(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)D2a線和D2b線、偏振態(tài)正交的兩束激光進(jìn)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(guò)白噪聲源驅(qū)動(dòng)電光相位調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦激光的光譜展寬, 獲得500 MHz以?xún)?nèi)的多檔位線寬的589 nm激光。通過(guò)光路上的四分之一波片實(shí)現(xiàn)泵浦光從線偏光到圓偏光的切換。

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

圖3 旁路相機(jī)探測(cè)到的鈉導(dǎo)星“驚嘆號(hào)！”圖像

通過(guò)時(shí)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(diǎn)陣平面圖及其剖視圖（圖4）。

圖4 旁路相機(jī)探測(cè)到的鈉導(dǎo)星典型單幀回光點(diǎn)陣平面圖和剖視圖

通過(guò)調(diào)整泵浦激光參數(shù)，對(duì)鈉導(dǎo)星回光進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)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最強(qiáng)的導(dǎo)星回光。圓偏光泵浦回光強(qiáng)度約為線偏光的1.5倍；雙線泵浦回光強(qiáng)度達(dá)到了單線泵浦的2倍；譜線展寬條件下的回光強(qiáng)度可達(dá)自然線寬時(shí)的1.5倍。

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(qiáng)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(shí)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)未來(lái)將在較好站址進(jìn)一步開(kāi)展鈉導(dǎo)星回光探測(cè)科學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)技術(shù)措施，提高有效回光數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，探索和驗(yàn)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(jìn)一步提高導(dǎo)星高效激發(fā)技術(shù)。

課題組介紹

中物院應(yīng)用電子學(xué)研究所、中科院光電技術(shù)研究所的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)依托于國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃，致力于開(kāi)展激光鈉導(dǎo)星技術(shù)研究并取得了豐富研究成果。從“十一五”期間探測(cè)到鈉導(dǎo)星定性回光圖像，到“十二五”的長(zhǎng)脈沖鈉導(dǎo)星回光特性實(shí)驗(yàn)，再到“十三五”的多泵浦參數(shù)激勵(lì)的導(dǎo)星技術(shù)驗(yàn)證，技術(shù)團(tuán)隊(duì)在開(kāi)展高效激發(fā)鈉導(dǎo)星物理研究和技術(shù)路線探索的道路上不斷取得進(jìn)展，突破了高信噪比微光回光同步探測(cè)技術(shù)、鈉導(dǎo)星大氣聚焦非等暈性測(cè)量技術(shù)，驗(yàn)證了脈沖型鈉導(dǎo)星波面應(yīng)用于大氣自適應(yīng)光學(xué)校正的可行性；“十二五”研制出當(dāng)時(shí)世界上最高輸出功率的81W鈉導(dǎo)星激光器，為進(jìn)一步開(kāi)展高亮度鈉導(dǎo)星技術(shù)研究提供了保障。