为克服当前波前探测技术存在的固有问题, 提出了一种基于阵列激光导星(Laser Guide Star, LGS)的自适应光学系统。该系统可以有效消除聚焦非等晕效应的影响从而提高系统的波前探测精度, 由此大幅度增大激光导星自适应光学系统的大气湍流探测范围, 从而降低自适应光学系统对导星亮度的要求。阐释了该系统的闭环工作过程, 并依据其工作过程建立仿真模型, 数值仿真了该系统基于阵列激光导星的波前探测过程。最后对重构波前精度进行评估, 分析了仿真存在的误差。数值仿真结果显示: 该系统的波前重构精度较好, 校正残差为11%, 初步验证了利用阵列激光导星进行波前探测的可行性。

增加激光导星的散射层采样厚度可以提高波前探测器的探测能量,但是存在探测光斑弥散问题.针对该问题,分析并设计了动态聚焦系统.首先分析了采样厚度对波前探测能量的影响,结果显示,波前探测能量随着采样厚度非线性增大,当采样厚度为4 km、激光脉冲能量为10 mJ时,望远镜子孔径接收到的光子数为120,满足探测精度要求.然后分析了光斑弥散对波前探测精度的影响,当采样厚度为4 km 时,波前探测误差约为0.5 λ,探测误差较大.为了实现精确探测,依据分析结果设计了动态聚焦系统,将聚焦反射镜的移动距离由111 mm 缩小到100 μm、移动速度由4200 m/s降低到3.8 m/s,满足应用需求.最后利用Zemax软件进行优化,结果表明,对于4 km采样厚度,光学系统均能实现理想成像.

研制了一台LD侧面泵浦和腔内和频结构的小型全固态589 nm激光器, 报道了利用该激光器激发钠导星亮度的实验研究结果。通过数值模拟分析并设计了谐振腔腔长、晶体位置等, 使其具有体积小、转换效率高等特点。研制了一套时域匹配电源用于补偿两路激光脉冲的时间差。对分束镜双侧进行特殊镀膜, 获得了相应的线偏振光并提高了转换效率和热稳定性。采用插入标准具、特殊镀膜等技术抑制了1 338 nm谱线的振荡。最后设计了相应的发射望远镜和接收系统用于钠激光导星的观测。测试结果表明, 该激光器的输出功率大于8 W, 重复频率为5 kHz, 线宽小于3.5 GHz, 对应808 nm泵浦功率的转换效率达到2%。在长春市内天光背景下, 冬季实验激发的导星亮度可达10.0等。

研究了采用时间选通和共孔径方式的钠激光导星技术, 并开展了钠信标发射接收实验研究。分析了钠原子共振散射与信标激光波长的匹配关系, 介绍了钠信标激光器、距离选通装置、回光探测装置、同步控制装置等的研制工作。实验成功采集到了钠信标图像, 通过分析回光图像随信标激光波长的变化规律, 验证了波长匹配在钠激光导星中的重要性。

激光导星可以部分解决自适应光学系统信标难题。给出典型激光导星自适应光学系统主要误差空间功率谱的简化计算模型。与常用的Monte-Carlo类型的模拟相比,该模型提供了激光导星自适应光学系统性能随主要控制参数变化的一种快速有效的评估手段。

对自适应光学中激光导星的基本原理及系统中所需的超窄带滤光技术作了简单的介绍。重点介绍了一些有望应用于激光导星系统上的滤光技术，如：原子共振光学滤光器、双折射滤光器、法拉第反常色散滤光器、法布里-珀罗滤光器等。针对以上滤光技术各自的特点，阐明了它们的基本原理，给出了部分主要参数，并且对各滤光技术的发展现状和不足作了简要阐述。

激光信标共孔径发射接收偏振分光系统的动态相位补偿需要测量望远镜各反射镜对s光和p光的相位延迟差.利用Stokes矢量和Mueller矩阵建立了物理模型,并推导出用测得的回光功率计算相位延迟差的解析式.提出一种通过实验测量回光功率计算反射镜相位延迟差的方法,解决了在0～2π范围内唯一确定反射镜相位延迟差的问题.实际测量了两块反射镜的相位延迟差,并将测量结果用于动态相位补偿偏振分光实验,验证了该方法的正确性.分析了偏振分光棱镜、法拉第旋光器以及近似计算这3个主要的测量误差源,并估计总测量误差约为1°.

在地平式折轴望远镜上开展自适应光学瑞利激光导星实验,研究了信标光束同孔径发射和接收偏振分光技术。基于镜面膜层复振幅反射特性,采用琼斯矩阵描述方法,建立了偏振分光物理模型,研究了共孔径发射和接收偏振耦合分光的效率问题,并与实验结果进行了比较。结果表明,由于镜面膜层对s光和p光的相位延迟差异,系统偏振分光效率随着望远镜的方位角旋转会发生周期性的变化,同时也受望远镜天顶角变化的影响。在研究光路反射镜相位延迟对往返分光效率影响规律的基础上,提出了提高地平式折轴望远镜激光导星共孔径发射和接收偏振分光效率,消除受望远镜方位角和天顶角变化影响的技术途径。

讨论了使用激光导星的非完全补偿自适应光学望远镜性能与导星亮度之间的关系,给出子孔径上剩余波前误差均方根值大于0.10λ,子孔径直径大于大气相关长度r_o时为产生瑞利导星和Na导星分别需要的激光能量.