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人造信标波前测量
第 14 卷 第 3 期
2002 年 5 月 强 激 光 与 粒 子 束
H IGH POW ER LA SER AND PA R T ICL E BEAM S V o l. 14,N o. 3
M ay, 2002 文章编号: 100124322(2002) 0320375203
Ξ
人造信标波前测量
张 卫, 雒仲祥, 向汝建
(中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900)
摘 要: 应用信标技术可以降低大气湍流对光学系统的影响, 人造信标是主动校正大气造成的波面相位
畸变的重要手段。介绍了人造信标实验系统和利用后向瑞利散射人造信标进行的波前测量结果, 分析了人造瑞
利后向散射信标系统指标和波前畸变测量结果的关系。
关键词: 信标; 波前畸变; 波前重构
中图分类号: O 434. 12 文献标识码: A
由于大气湍流等效应的影响, 限制了天文成像的分辩率。70 年代发展起来的自适应光学技术, 经过近年来
的理论和实验论证, 在天文领域取得了成功的应用。对于极弱的星体, 靠其自身的反射光作为自适应系统信标
是不可能的。为了解决对极弱星体成像测量中的信标问题, 80 年代提出了 20km 以下大气分子的后向瑞利散
射人造信标和 90km 钠层对 589nm 激光的共振反射光人造信标的设想。1988 年美国林肯实验室成功地应用脉
冲染料激光器, 利用 4~ 8km 的大气分子后向瑞利散射信标和 241 单元的自适应变形镜, 实现了对大气湍流的
自适应补偿, 获得了近衍射极限的星象[1 ]。1981 年非利普实验室利用后向瑞利散射人造信标补偿大气效应引
起的波前畸变, 在 1s 的暴光时间内, 获得了 1. 3″的大熊星座 53Ν双星分辨[2 ]。
在我国, 利用自然星信标进行大气效应研究已经取得了很大的进展[3 ]。但人造信标由于其复杂的物理和技
术难题, 只在近期取得了重要突破。本文介绍了利用后向散射人造信标进行大气扰动波前畸变的测量结果。
1 人造信标对激光器的能量要求
为了达到自适应系统对大气效应的闭环校正, 信
标光源必须满足一定的强度要求, 保证测量系统能够
有效地提取出可靠的大气扰动信息。自适应光学系统
中, 理想波前探测精度决定于信标光的光通量。对于一
定的子孔径, 为了忽略 Zernike 多项式中的高阶项误
差, 要求子孔径内的最小光子数满足
N 117 (d ?r0) 5?6 (1)
实际上, 由于探测器件的限制, ICCD 的测量条件
Fig. 1 Beacon laser energy vs height of beacon
图 1 信标激光脉冲能量随信标高度的变化
也需要满足子孔径内光子数大于 1 000。对于人造瑞利
信标, 在满足“点”源条件下, 一定信标光的光通量要求的激光器脉冲能量为
E = 4hcΠF Z 2?ΓT R nR ?Z (2)
A2 ΚΡ
式中: E 为发射激光器的脉冲能量; h 为 P lank 常数; c 为真空中光速, Z 为激光导引星的高度, ?Z 为人造信标
截取厚度, Γ表示光学系统的传输效率, Κ是激光波长, ΡR 为瑞利散射截面, nR (Z ) 为高度 Z 处的大气密度。对于
53Λm 波长有
ΡR nR (Z ) = 3. 84 × 10- 5exp (- Z ?H ) (3)
式中: H 为大气标高(约 6km ); F = 4N ?Πd
2, 为瑞利散射光子流密度。
根据实际系统光学性能特性, 假设 Γ= 0. 7, n= 1 000,D = 450mm , T A = 0. 6, ?Z = 0. 2Z , d = 5cm , 由(2) 式
可以得出, 信标激光器的能量理论定标结果如图 1 所示。结果可以看出, 在假设条件下, 如果瑞利信标高度产生
Ξ 第六届全国激光科学技术青年学术交流会优秀论文。
收稿日期: 2002201217; 修订日期: 2002204220
基金项目: 国家 863 激光技术领域资助课题
作者简介: 张 卫(19672 ) , 男, 博士, 副研, 现从事激光物理研究; 绵阳信箱。
? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
376 强 激 光 与 粒 子 束 第 14 卷
在 12km 高度, 理论定标结果表明, 需要信标激光器的单脉冲能量约为 1. 1J。
天文自适应光学人造信标产生的高度必须能够反映出整层大气波前畸变。对于瑞利散射信标, 随着高度的
增加, 瑞利散射截面迅速减小, 使到达
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