钠信标激光光谱测量与回波光子数的测量

钠信标激光光谱测量与回波光子数的测量

0钠信标激发的激光器自适应光学系统是现代大型地球物理望远镜的重要组成部分之一，可以用来校正由于气体流的图像分辨率和成像质量的降低。相比于瑞利信标,钠信标的激发产生对激光器的要求更为苛刻。受钠原子D然而,各体制类型的激光由于其光学参数的不同,对钠原子的激发效率也不尽相同,自20世纪90年代以来国外已有多篇文献报道了对不同体制钠信标激光器激发效率的仿真中国科学院理化技术研究所自2002年开展对钠信标激光器的研发以来,已成功研发了若干代钠信标激光器试验样机,并受到国际上30m望远镜项目的关注作为其参选的钠信标激光器之一1激光发射望远镜钠信标测光系统由钠信标激光器、激光传输光路及激光发射望远镜、信标回光测量系统、大气相干长度测量仪、钠原子激光雷达等组成。钠信标激光器由中国科学院理化技术研究所提供,其第二代20W级百微秒脉冲钠信标激光器采用了腔外和频的方案,1064nm与1319nm种子光源采用了环形行波腔结构,并用标准具压窄其线宽,经过主振-功率放大等系统后,在三硼酸锂(LBO)晶体内对两路输出激光实现和频,经过优化后最终获得的和频589nm的激光在实验室条件下平均功率可达33W激光传输光路由若干块保偏反射镜组成,将激光光束由激光头导入至激光发射望远镜入瞳处,经激光发射望远镜扩束放大后向天顶方向发射。为了将钠原子在90km附近的共振散射信号与高度较低的瑞利散射信号区分开,激光发射与接收端采用分孔径工作模式。在分孔径工作模式下,发射望远镜与接收望远镜的光轴间距越大,接收望远镜的成像中,钠信标的共振散射信号与瑞利散射信号的角间距也越大;但是,受钠层高度分布的影响,两光轴间距的增大会造成成像中钠信标光斑的拉长。受外场实验环境的限制,发射与接收望远镜主光轴轴间距约为5.6m,在后续章节的成像结果中可以看到,此时钠信光斑与瑞利散射光已经基本分开,且并未观察到明显的光斑拉长现象。激光发射望远镜的主要参数见表2。钠信标回光测量系统利用云南丽江1.8m望远镜作为接收成像望远镜,成像CCD位于望远镜卡式焦点上。在CCD前放置了一块天文V波段滤光片(AndoverJohnson/BesselUBVRIastronomyfilters,型号V-band,JOHN-V-25),用于钠信标V星等的计算。大气透过率由恒星在不同高角时的测光数据计算得到测光实验中还加入了大气相干长度测量仪2钠信标光栅系统的研究实验中将钠信标测光数据与已知星等的恒星测光数据相比较,根据天文上对星等的定义,并综合考虑实际使用的V波段滤光片透过率曲线、恒星或钠信标光谱、CCD量子效率曲线的影响,进而计算得到钠信标在V波段内有效的回波光子数及对应V星等。在标定过程中,采用了Bessell等对V波段的定义对恒星(即自然星)和钠信标测光数据的处理,参考了早期美国星火靶场(SOR)在对恒星测光时,由于受V波段滤光片透过率和CCD量子效率的影响,需将实际测光系统采集到的恒星图像的灰度值Φ式中:Φ对于钠信标,在同样的曝光参数设置下,类似于公式(1),并考虑到钠信标回光单波长的特性,将其光谱能量分布视为波长在589nm处的δ函数,归算后钠信标图像灰度值为Φ式中:各符号代表的物理量同公式(1),角标指各物理量在波长λ=589nm的值。根据天文学上对星等的定义式中:M然而,由于钠信标单波长的特性,将利用公式(3)计算得到的V星等数值与宽光谱的自然星的相比较显得不公平。参考美国星火靶场对钠信标星等定义的方法利用公式(4)计算得到钠信标V星等数值结果要更接近于自然星的V星等数值,同时与美国星火靶场的计算方法所得结果要更为接近。根据参考文献[36],已知V星等数值为M考虑到钠信标单波长的性质,并根据V波段滤光片在589nm的理论透过率W3结果3.1钠信标光斑大小变化实验中,通过对钠信标激光器、激光传输光路和激光发射望远镜的优化升级,经过多次的调试后,钠信标光斑大小和形态都有了逐步的提升。图1给出了自2011年以来钠信标光斑的变化,其中,图1(a)横轴为测试时间,纵轴为采集到的钠信标光斑大小(FWHM来计算)。自首次实验以来,钠信标FWHM的中间值由8.5′降至3.5′(图中方块线),而最小值则由7.0′降至3.0′(图中圆圈线)。考虑到成像系统相差及视宁度的影响,钠信标在钠层上的实际半高全宽小于2.0′。图1(b)~(e)为对应的各测试阶段钠信标的成像图,显示视场为47′。3.2中心频率蓝移时回光强度的变化在钠信标测光实验前首先对钠信标激光器的中心波长(即中心频率)及出光的偏振态进行优化,以保证钠信标回光亮度的最大化。对钠信标激光器中心频率的优化结果如图2所示,测量时激光器的偏振状态为初始的线偏振状态。图2中横轴为钠信标激光中心频率的偏移量,以钠信标回光亮度最大处为横轴零点;纵轴为归一化之后的钠信标光斑亮度(单位:ADU)。从图中可以看出,将激光器中心频率调偏时,获得的钠信标亮度也对应地减弱。在实验条件下,当激光器中心频率调偏约-0.34GHz或+0.43GHz时,获得的回光强度为中心频率未调偏时的80%;而当中心频率调偏约-0.66GHz或+1.00GHz时,获得的回光强度仅为中心频率未调偏时的50%。实验中还观察到,在激光器中心频率蓝移时,回光强度的下降速率要小于中心频率红移时的情况,这是由于中心频率蓝移激发到钠原子D激光器出光的偏振状态由λ/4波片来控制,通过调节λ/4波片光轴与激光器自身线偏振方向的夹角,可以得到不同偏振状态的出光,结果见图3所示,图中横轴为λ/4波片的旋转角度,纵轴为接收信号的光电倍增管(PhotomultiplierTube,PMT)信号读数。实验中在PMT之前加入了589nm的窄带带通滤光片以提高信号的信噪比,在每个调节角度进行了10次的测量(图中×),并用平均值(图中莰)来进行正弦拟合。考虑到实验数据采集的时间较长,在此时间内钠原子柱密度会有所变化,拟合中加入了钠原子柱密度线性变化的参数,最终拟合结果如图中实线所示。由于圆偏光的激发效率要高于同等状态下线偏光的结果3.3入阶子数、自由钠信标的计算实验中利用CCD相机分别在圆偏光和线偏光出光状态下,对不同出光功率时钠信标的回光强度进行了若干次的测量,并利用公式(4)和公式(6)对钠信标的回波光子数和星等进行了计算,结果如图4所示。图(a)和图(c)为2013年11月14日的测量结果,图(b)和图(d)为2013年11月16日的测量结果;图(a)和图(b)为计算得到的钠信标V星等,图(c)和图(d)则为计算得到的钠信标在望远镜入瞳处的光子数流量;圆圈和方框分别对应圆偏光和线偏光状态下的测量结果。实验中所得的最亮钠信标等(出光功率19W,圆偏光状态)为7.40V星等,对应返回的光子数(折算到大气层上方)为9.65×103.4钠信标激光器与钠原子耦合效率在定量分析激光器对钠原子的激发效率时,目前多数仿真及分析采用了Holzl觟hner等提出的钠信激光器对钠原子耦合效率(couplingefficiency)的概念式中:Φ为到达接收望远镜表面的钠信标光子数流量(单位:photons·s在实验过程中,激光发射光束始终指向天顶方向,因而θ=0,X=1;大气透过率T4钠层信标图像的标定文中搭建