基于多种激光参数泵浦的钠导星回光强度研究 下载: 1083次封面文章
1 引言
在采用大口径光学成像系统开展深空天文观测和空间目标监测时,往往以处于大气中间层85~100 km高度的钠导星[1-3] 作为自适应光学系统校准大气波前畸变的参考信标源。钠导星的亮度直接决定了系统信噪比,是影响自适应光学系统校正效果并提高目标成像光束质量的关键因素之一,也间接决定了钠导星探测系统、自适应光学系统的复杂程度。目前,钠导星的最高亮度是由美国空军研究实验室在星火光学靶场创造的4.8等星[4](8000 photon·s-1·cm-2)。
钠导星的后向共振荧光散射强度与大气传输效率、地磁、季节、发射系统参数、接收系统参数以及导星激光参数(如波长、线宽、偏振状态、功率)等诸多因素密切相关。通过对工作时间、地点的选择,可优化和控制影响钠导星回光的环境因素。
当前国际上采用的激光导星多为脉冲体制[5],脉冲体制钠导星技术在部分望远镜自适应光学系统中获得了应用,其采用距离选通技术,收到了良好的效果[6-8]。本文在多种激光参数泵浦模式下,通过开展脉冲型钠导星回光强度的探测实验,取得了基于高能量多纵模百微秒脉冲钠导星激光泵浦大气钠层的一系列回光强度数据,研究了偏振态、中心波长匹配的双线泵浦和泵浦光线宽这三种特性对钠导星回光亮度的影响,检验了通过圆偏振光双线展宽泵浦技术提高钠导星回光亮度的可行性。
2 钠导星的饱和效应及其影响因素
2.1 钠导星的饱和效应
在钠导星技术面临的诸多挑战中,随激光效率的增加而凸显的“饱和效应”问题是长期未能解决的主要科学问题之一。饱和效应由Kibblewhite提出[9]。在激光光场中,由于受激辐射增强,泵浦至高能级的钠原子比例下降,导致产生后向共振荧光的自发辐射不再增加,此即饱和现象。在二能级系统中,当入射激光较弱时,钠原子与激光间的相互作用主要为吸收和自发辐射;当入射激光强度不断增强并达到一定水平后,激光与钠原子间的相互作用为吸收、自发辐射和受激辐射;随着入射激光的进一步增强,吸收与受激辐射成为主要过程,而参与自发辐射的原子所占的比例会不断减小,这使得越来越多的钠原子跃迁只能产生前向的受激辐射光子,而可产生钠信标的后向散射自发辐射荧光光子的增长速度越来越小,直至逼近一个稳定值,此即为饱和效应。
在激光光场作用下,钠原子的荧光辐射过程是一个复杂的过程,为了提高激光对钠原子的泵浦效率,有效抑制饱和效应,进而获得尽可能强的回光通量,需要实现钠导星泵浦激光谱线与泵浦功率的最佳匹配,这也是钠导星技术研究的核心方向。因此,研究基于多种激光参数泵浦的钠原子的物理现象,对于掌握钠导星共振荧光强度的物理规律,科学设计钠导星泵浦激光光源,实现系统的优化并获得高亮度的钠导星回光图像具有重要意义。
2.2 影响饱和效应的主要激光因素
对钠荧光的产生具有决定性作用的主要是激光谱线结构、大气环境和地磁场作用下的激光光场特性[10]。本文从激光特性出发,主要研究偏振态、中心波长匹配的双线泵浦和泵浦光线宽这三种特性对钠导星回光亮度的影响。
2.2.1 泵浦激光偏振态的影响
钠原子D2线超精细能级结构如
2.2.2 泵浦激光线宽的影响
为了充分利用泵浦激光能量,需要使导星光源的中心频率和线宽尽可能与D2a线和D2b线相匹配。因此,精确地控制吸收峰的中心波长、适当展宽发射激光光谱线宽是提高钠导星饱和阈值、增大回光强度的有效方法[13-15]。对具有多普勒展宽特性的钠原子吸收谱与激光光谱线型进行卷积运算,得到钠原子散射截面,将其代入二能级系统回光强度的计算公式[16]中,就可得到脉冲激光泵浦不同线宽条件下的钠导星时相对回光强度与导星激光线宽ΔvL的关系,如
图 3. 不同泵浦激光脉冲能量下回光强度 随导星激光线宽的变化
Fig. 3. Return light intensity versus guide star laser line width under different pumping pulsed laser energies
根据
2.2.3 双线泵浦的影响
以往的钠导星泵浦激光器的输出中心波长多集中在D2a线,但D2a线单频激光只能激发F=2的基态钠原子。在热平衡下,处于该基态的原子数大约占总原子数的5/8。在泵浦与衰减过程中,钠原子从|F=2>基态跃迁到|F'=2>激发态,再从|F'=2>激发态以50%的概率衰减到|F=1>基态[11]。经过多次泵浦与衰减,处于|F=2>态的钠原子不断减少。对应D2a线的泵浦光不能激发|F=1>基态(D2b线)上的钠原子发生共振跃迁,|F=2,m=2>与|F'=3,m=3>之间的跃迁被严重削弱,钠原子在较低的光强下较早地进入跃迁饱和,从而使得钠层在短时间内(10 ms左右)达到光学透明,不能再产生共振荧光,这种现象被称作“下泵浦”[9]。
为克服“下泵浦”效应,可以通过“双线泵浦”技术提高光泵浦效应[11],即引入比初始频率高出约1.7 GHz且对应D2b线的第二束泵浦光,激发|F=1>基态上的原子分别进入上能级|F'=0>、|F'=1>和|F'=2>。其中,处于|F'=1>和|F'=2>能级的原子有很大概率衰减至|F=2>基态,并再被泵浦至|F'=3>激发态,从而显著提高基态钠原子的利用效率。该技术也被称为再泵浦技术。理论上,该技术可以将全部的原子泵浦到|F'=3,m=3>激发态,原子利用率由62.5%提高到将近100%,钠信标回光强度有望提高1.6倍。
3 实验设计
3.1 技术路线
采用百微秒脉冲泵浦激光的方式激发钠层原子,采用时序同步选通技术,利用米级口径望远镜结合高灵敏度可见光相机探测回光强度。通过调整输出激光的偏振态、激发谱线中心波长、谱线线宽等参数,探索各泵浦条件下的回光强度的变化规律。
3.2 实验系统
图 4. 钠导星回光强度的探测实验系统示意图
Fig. 4. Schematic of experimental system for synchronous detection of return light intensity of sodium guide star
实验系统的核心设备是钠导星激光器,采用中国工程物理研究院应用电子学研究所研制的两台相同的腔外和频百微秒级脉冲体制激光器作为泵浦激光光源。该激光器采用全固态激光器腔外和频技术[17],并增加了亚皮米级高精度谱线调谐和锁定功能,和频效率高,具有如下特点。
1) 中心波长可调:激光器采用独立种子源放大并输出589 nm线偏振黄光。通过高精度调整和稳频技术,可实现两束激光的中心波长调整和频率锁定,调整范围覆盖钠原子吸收谱的D2a和D2b线。
2) 脉冲能量可调:激光器可实现每路脉冲能量50~300 mJ的输出。
3) 线宽可调:采用白噪声源驱动电光相位调制器(EOM),实现对泵浦激光的光谱展宽, 根据调制输入功率,可对谱线进行11档展宽,获得被展宽的调制多纵模589 nm钠信标激光,实现100~600 MHz的谱线展宽。
4) 偏振态可调:钠导星激光器由A路激光器和B路激光器组成,两台激光器分别为s光和p光,经偏振合束后,通过在光路上移入1/4波片可以把线偏振光转换为顺时针和逆时针两个方向的圆偏振光,实现线偏振光到圆偏振光的切换。
3.3 发射与接收
实验系统采用基于时间选通的分孔径收发工作模式,在内光路采用共孔径偏振合束的方式对两束分别处于s、p偏振态的589 nm激光进行合束,合束光束经过扩束后由高精度电调镜发射至平流层,激发出的钠导星回光被望远镜收集并被传输到哈特曼波面探测系统的EMCCD相机中,在同步探测模式下按预定时序启动激光发射时间和相机探测时间,从而消除近程瑞利信标回光,获得钠导星回光的哈特曼点阵图像。相机对外曝光时间为500 μs,能够有效覆盖激光脉宽和30 km钠层的探测延时。
4 实验结果及分析
4.1 偏振泵浦实验结果
实验时间是22:05至次日0:35,该时段内大气透过率在70%~72%范围内小幅度波动。两台钠导星激光器均锁定为D2a线输出,输出脉冲能量为30~240 mJ,获得8组线偏振光泵浦的回光数据和8组圆偏振光泵浦的回光数据。
图 5. 钠导星的典型单帧回光点阵平面图和剖视图。(a)钠导星单帧回光点阵;(b)钠导星回光图像剖视图
Fig. 5. Typical single-frame retroreflective dot-matrix plane and sectional view of sodium guide stars. (a) Single-frame retroreflective dot-matrix plane of sodium guide stars; (b) sectional view of sodium guide stars
4.2 双线泵浦实验结果
实验中,保持A、B激光器的输出状态一致(中心波长均锁定在D2a线),将B路激光的输出波长调整至D2b线,测量回光强度并评估单、双线泵浦的差异性。考虑到大气条件变化和钠丰度变化可能对实验结果产生的影响,实验中状态调整和数据采集的时间间隔较短,单、双线泵浦状态跳变时回光强度采集时间间隔仅为1 min。
4.3 谱线展宽
实验中设置两台激光器的输出脉冲能量均为240 mJ,双线圆偏振光泵浦,在D2a线和D2b线分别展宽500 MHz以及双线同时展宽500 MHz的情况下进行了回光强度实验验证。
图 8. 双线泵浦条件下谱线展宽的实验数据
Fig. 8. Experimental data for spectral line broadening under double-line pumping condition
图 9. 双线泵浦模式下多纵模激光谱线展宽示意图。 (a)未展宽;(b)展宽
Fig. 9. Schematic of multi-longitudinal mode laser spectral broadening under double-line pumping mode. (a) Without broadening; (b) with broadening
5 结论
激光参数是决定钠导星回光强度的关键因素,钠导星激光的精细谱线结构与回光强度的关系密切。为了抑制钠原子的饱和效应,需要在激光功率密度与线宽之间寻找平衡点,精确地控制发射激光光谱的线宽,在更多的钠原子速度群上合理平摊激光功率,从而获得更高的钠导星泵浦效率和回光强度。
基于分孔径收发工作模式,开展了脉冲钠导星回光强度的探测实验,取得了基于高能量多纵模百微秒脉冲钠导星激光泵浦大气钠层的一系列回光强度数据,研究了偏振态、中心波长匹配的双线泵浦和泵浦光线宽这三种特性对钠导星回光亮度的影响。实验结果表明,双线泵浦下的回光强度达到了单线泵浦的2倍、谱线展宽条件下的回光强度可达自然线宽的1.5倍,与理论结果相合。因此,精密控制泵浦激光谱线是获得钠导星稳定回光强度的重要手段,基于圆偏振光双线展宽泵浦的钠导星工作模式是实现高效激发钠层原子和获得高亮度回光的有效途径。
感谢 感谢中国工程物理研究院应用电子学研究所的张雷、仁怀瑾、许夏飞、龚胜刚、万敏、吴建平、邹凯、周彦卿、顾静良,感谢中国科学院光电技术研究所的谭毅、毛耀、梁文科、钟代均;感谢中国科学院安徽光学精密机械研究所的朱文越、黄宏华、崔朝龙。实验结果的获得依赖于大家给予的支持和帮助,在此致谢!
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