鈉信標激光光譜測量與回波光子數的測量

0鈉信標激發的激光器自適應光學系統是現代大型地球物理望遠鏡的重要組成部分之一，可以用來校正由于氣體流的圖像分辨率和成像質量的降低。相比于瑞利信標,鈉信標的激發產生對激光器的要求更為苛刻。受鈉原子D然而,各體制類型的激光由于其光學參數的不同,對鈉原子的激發效率也不盡相同,自20世紀90年代以來國外已有多篇文獻報道了對不同體制鈉信標激光器激發效率的仿真中國科學院理化技術研究所自2002年開展對鈉信標激光器的研發以來,已成功研發了若干代鈉信標激光器試驗樣機,并受到國際上30m望遠鏡項目的關注作為其參選的鈉信標激光器之一1激光發射望遠鏡鈉信標測光系統由鈉信標激光器、激光傳輸光路及激光發射望遠鏡、信標回光測量系統、大氣相干長度測量儀、鈉原子激光雷達等組成。鈉信標激光器由中國科學院理化技術研究所提供,其第二代20W級百微秒脈沖鈉信標激光器采用了腔外和頻的方案,1064nm與1319nm種子光源采用了環形行波腔結構,并用標準具壓窄其線寬,經過主振-功率放大等系統后,在三硼酸鋰(LBO)晶體內對兩路輸出激光實現和頻,經過優化后最終獲得的和頻589nm的激光在實驗室條件下平均功率可達33W激光傳輸光路由若干塊保偏反射鏡組成,將激光光束由激光頭導入至激光發射望遠鏡入瞳處,經激光發射望遠鏡擴束放大后向天頂方向發射。為了將鈉原子在90km附近的共振散射信號與高度較低的瑞利散射信號區分開,激光發射與接收端采用分孔徑工作模式。在分孔徑工作模式下,發射望遠鏡與接收望遠鏡的光軸間距越大,接收望遠鏡的成像中,鈉信標的共振散射信號與瑞利散射信號的角間距也越大;但是,受鈉層高度分布的影響,兩光軸間距的增大會造成成像中鈉信標光斑的拉長。受外場實驗環境的限制,發射與接收望遠鏡主光軸軸間距約為5.6m,在后續章節的成像結果中可以看到,此時鈉信光斑與瑞利散射光已經基本分開,且并未觀察到明顯的光斑拉長現象。激光發射望遠鏡的主要參數見表2。鈉信標回光測量系統利用云南麗江1.8m望遠鏡作為接收成像望遠鏡,成像CCD位于望遠鏡卡式焦點上。在CCD前放置了一塊天文V波段濾光片(AndoverJohnson/BesselUBVRIastronomyfilters,型號V-band,JOHN-V-25),用于鈉信標V星等的計算。大氣透過率由恒星在不同高角時的測光數據計算得到測光實驗中還加入了大氣相干長度測量儀2鈉信標光柵系統的研究實驗中將鈉信標測光數據與已知星等的恒星測光數據相比較,根據天文上對星等的定義,并綜合考慮實際使用的V波段濾光片透過率曲線、恒星或鈉信標光譜、CCD量子效率曲線的影響,進而計算得到鈉信標在V波段內有效的回波光子數及對應V星等。在標定過程中,采用了Bessell等對V波段的定義對恒星(即自然星)和鈉信標測光數據的處理,參考了早期美國星火靶場(SOR)在對恒星測光時,由于受V波段濾光片透過率和CCD量子效率的影響,需將實際測光系統采集到的恒星圖像的灰度值Φ式中:Φ對于鈉信標,在同樣的曝光參數設置下,類似于公式(1),并考慮到鈉信標回光單波長的特性,將其光譜能量分布視為波長在589nm處的δ函數,歸算后鈉信標圖像灰度值為Φ式中:各符號代表的物理量同公式(1),角標指各物理量在波長λ=589nm的值。根據天文學上對星等的定義式中:M然而,由于鈉信標單波長的特性,將利用公式(3)計算得到的V星等數值與寬光譜的自然星的相比較顯得不公平。參考美國星火靶場對鈉信標星等定義的方法利用公式(4)計算得到鈉信標V星等數值結果要更接近于自然星的V星等數值,同時與美國星火靶場的計算方法所得結果要更為接近。根據參考文獻[36],已知V星等數值為M考慮到鈉信標單波長的性質,并根據V波段濾光片在589nm的理論透過率W3結果3.1鈉信標光斑大小變化實驗中,通過對鈉信標激光器、激光傳輸光路和激光發射望遠鏡的優化升級,經過多次的調試后,鈉信標光斑大小和形態都有了逐步的提升。圖1給出了自2011年以來鈉信標光斑的變化,其中,圖1(a)橫軸為測試時間,縱軸為采集到的鈉信標光斑大小(FWHM來計算)。自首次實驗以來,鈉信標FWHM的中間值由8.5′降至3.5′(圖中方塊線),而最小值則由7.0′降至3.0′(圖中圓圈線)。考慮到成像系統相差及視寧度的影響,鈉信標在鈉層上的實際半高全寬小于2.0′。圖1(b)~(e)為對應的各測試階段鈉信標的成像圖,顯示視場為47′。3.2中心頻率藍移時回光強度的變化在鈉信標測光實驗前首先對鈉信標激光器的中心波長(即中心頻率)及出光的偏振態進行優化,以保證鈉信標回光亮度的最大化。對鈉信標激光器中心頻率的優化結果如圖2所示,測量時激光器的偏振狀態為初始的線偏振狀態。圖2中橫軸為鈉信標激光中心頻率的偏移量,以鈉信標回光亮度最大處為橫軸零點;縱軸為歸一化之后的鈉信標光斑亮度(單位:ADU)。從圖中可以看出,將激光器中心頻率調偏時,獲得的鈉信標亮度也對應地減弱。在實驗條件下,當激光器中心頻率調偏約-0.34GHz或+0.43GHz時,獲得的回光強度為中心頻率未調偏時的80%;而當中心頻率調偏約-0.66GHz或+1.00GHz時,獲得的回光強度僅為中心頻率未調偏時的50%。實驗中還觀察到,在激光器中心頻率藍移時,回光強度的下降速率要小于中心頻率紅移時的情況,這是由于中心頻率藍移激發到鈉原子D激光器出光的偏振狀態由λ/4波片來控制,通過調節λ/4波片光軸與激光器自身線偏振方向的夾角,可以得到不同偏振狀態的出光,結果見圖3所示,圖中橫軸為λ/4波片的旋轉角度,縱軸為接收信號的光電倍增管(PhotomultiplierTube,PMT)信號讀數。實驗中在PMT之前加入了589nm的窄帶帶通濾光片以提高信號的信噪比,在每個調節角度進行了10次的測量(圖中×),并用平均值(圖中莰)來進行正弦擬合。考慮到實驗數據采集的時間較長,在此時間內鈉原子柱密度會有所變化,擬合中加入了鈉原子柱密度線性變化的參數,最終擬合結果如圖中實線所示。由于圓偏光的激發效率要高于同等狀態下線偏光的結果3.3入階子數、自由鈉信標的計算實驗中利用CCD相機分別在圓偏光和線偏光出光狀態下,對不同出光功率時鈉信標的回光強度進行了若干次的測量,并利用公式(4)和公式(6)對鈉信標的回波光子數和星等進行了計算,結果如圖4所示。圖(a)和圖(c)為2013年11月14日的測量結果,圖(b)和圖(d)為2013年11月16日的測量結果;圖(a)和圖(b)為計算得到的鈉信標V星等,圖(c)和圖(d)則為計算得到的鈉信標在望遠鏡入瞳處的光子數流量;圓圈和方框分別對應圓偏光和線偏光狀態下的測量結果。實驗中所得的最亮鈉信標等(出光功率19W,圓偏光狀態)為7.40V星等,對應返回的光子數(折算到大氣層上方)為9.65×103.4鈉信標激光器與鈉原子耦合效率在定量分析激光器對鈉原子的激發效率時,目前多數仿真及分析采用了Holzl觟hner等提出的鈉信激光器對鈉原子耦合效率(couplingefficiency)的概念式中:Φ為到達接收望遠鏡表面的鈉信標光子數流量(單位:photons·s在實驗過程中,激光發射光束始終指向天頂方向,因而θ=0,X=1;大氣透過率T4鈉層信標圖像的標定文中搭建