钠激光导星回光强度的讨论

钠激光导星回光强度的讨论

0钠激光导星回光强度的基础分析利用波前勘探装置和波前校正装置，可以实时补偿大气畸变，提高大口径天文望远镜系统的分辨率和成像质量。文中根据自适应光学系统应用需求,对钠激光导星回光强度的相关问题进行了分析。针对钠层钠原子的饱和问题,分平衡态和非平衡态两种情况进行讨论;从子孔径尺寸、信标探测装置单帧积分时间、激光器线宽的角度,模拟分析了所需信标激光器的功率要求。1自发辐射与原子分数f的关系钠层钠原子产生的后向共振荧光强度应满足信标探测装置探测波前的需要。钠原子的激发可以分为平衡态和非平衡态两种。非平衡态下,假定信标激光产生极高的辐射能量,钠原子在远小于钠原子D平衡态情况下,信标激光对钠原子的辐射时间远大于钠原子D式中:m为高能级;n为低能级;A各自适应光学系统所需的钠信标尺度不同,钠层钠原子的柱密度也在发生周期性的变化,这些都造成了信标尺度内的原子数目为一个不确定量。为了分析原子的饱和效应,定义原子分数f为处于高能级m的原子数与总原子数之比,有:式中:A式中:g自发辐射光子数正比与原子分数f,公式(4)描述了自发辐射与单位频率间隔下的辐射功率密度之间的关系。带入各参数值,原子分数f随辐射功率谱密度ψ(ν)的变化,如图1所示。显然,在平衡状态下,原子分数的增长速率逐渐减小,原子分数只能无限趋近于0.5,也就是说最多只有一半的钠原子能够被激发至高能态。这一过程需要极高的辐射功率密度。涉及钠原子单线宽饱和辐射功率的文献较多,从6.4mW/cmk自发辐射变化速率随信标激光辐射光强的增加不断减小,当入射光强趋近于0时,k对于钠层钠原子,不同的激光谱线轮廓对应的信标激光饱和光强不同,当连续信标激光的线型为高斯型时,线型的中心频率的辐射功率谱密度应小于饱和辐射功率谱密度。若采用1/4斜率极大值定义饱和斜率的方法,假定信标激光与钠层钠原子的多普勒展宽线型相同,且宽度也为1.22GHz,通过计算可得线宽内不引起饱和的信标激光最大辐射功率密度为1.55W/cm综上,原子分数f的变化速率随信标激光入射辐射功率谱密度的增大不断减小;对饱和情况对应的变化速率定义不同决定了钠层钠原子饱和辐射功率密度的数值不同,这是各种文献对饱和光功率的描述有所差别的重要原因之一。2子孔径、线宽、积分时间、钠层钠原子不含量影响的激发目为能够产生足够亮的钠信标,信标激光器的功率必须达到一定的指标要求。信标激光的线宽、脉宽、中心波长、偏振态以及地球磁场等都影响钠层钠原子的共振荧光效率与信标发射接收相关的部分参数存在一定的不确定性。首先,在钠层的钠原子柱密度随时间、地区不断变化,考虑到自适应光学系统的适应能力,以2×10信标激光在钠层产生后向共振荧光的效率,随辐射功率密度的增加不断下降,当钠原子未饱和时,忽略效率的小幅度下降,有下式近似成立:式中:N为地面望远镜口处单位时间、单位信标激光功率、单位面积内,从钠信标处返回的共振散射荧光光子数;n为钠层钠原子的柱密度;σ为原子散射截面;T当信标激光对准钠D信标发射接收系统中,子孔径的大小d、激光器线宽FWHM、单帧积分时间t等对激光器功率指标要求影响较大。代入各相关参数,当单帧积分时间设为1ms时,模拟计算出能够产生单帧、单个子孔径300个光电子数所需的激光器功率如图4所示。选取9.48W/cm由以上模拟计算结果可以看出,单帧积分时间确定后,所需的信标激光功率随子孔径的增大而减小,随线宽的增大而增大;饱和率大体上随子孔径的增大而减小,随激光线宽的加大呈现出先减小后增大的趋势(分界点在1.2GHz)。当信标探测装置单帧积分时间固定的情况下,为兼顾低激光器功率指标要求和低饱和率,建议高斯型信标激光器的线宽宽度为钠层钠原子的多普勒展宽(温度200K,约1.2GHz),最大限度地降低饱效应对信标发射接收效率的影响。另外,针对采用连续信标激光器的分孔径发射接收信标装置,若单帧积分时间不确定,信标激光的线宽确定为1.2GHz时,代入各相关参数,模拟计算出能够产生单帧、单个子孔径300个光电子数所需的激光器功率如图6所示。同理,模拟计算出上述条件下,所需激光功率对应至钠层处的饱和率如图7所示。对比图6、图7可以发现,单帧积分时间增加在降低了信标发射接收装置工作频率的同时,也降低了激光器功率指标要求和饱和率。受到格林伍德时间常数的限制,单帧积分时间不能够无限的增大。湍流的时间特性通常认为服从Bufton风速模型:式中:v当r小子孔径在带来高空间分辨率探测波面的同时,也将固体激光器的功率指标要求提高至目前技术能力很难达到的水平。以r采用共孔径发射接收钠信标的方式,信标激光器功率指标计算较为复杂。若脉冲信标激光器的脉冲宽度能够做到单脉冲持续数微秒至数百微秒,则信标激光利用率最高的发射接收方式如下:上行单脉冲信标激光“彗尾”到达瑞利散射边界高度时,其“彗首”在钠层底所产生的后向散射荧光恰好到达瑞利散射边界高度,即有下式成立:式中:h式中:h不考虑激光器的单脉冲时间特性,若激光器的重复频率为500Hz,信标回光探测装置的帧频与激光器重复频率相一致的情况下,算得功率指标要求与饱和度如表5所示。3信标发射接收系统根据自适应光学系统的应用特点,对钠原子饱和问题、激光器功率指标要求等作了模拟分析。钠层钠原子的饱和问题,实质上是信标激光在钠层产生后向自发辐射效率严重下降的问题,不存在绝对的分界点,信标发射接收系统可以根据自身系统参数和信标