鈉信標(biāo)激光光譜測量與回波光子數(shù)的測量

鈉信標(biāo)激光光譜測量與回波光子數(shù)的測量

0鈉信標(biāo)激發(fā)的激光器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)是現(xiàn)代大型地球物理望遠(yuǎn)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(zhì)量的降低。相比于瑞利信標(biāo),鈉信標(biāo)的激發(fā)產(chǎn)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(xué)參數(shù)的不同,對鈉原子的激發(fā)效率也不盡相同,自20世紀(jì)90年代以來國外已有多篇文獻(xiàn)報道了對不同體制鈉信標(biāo)激光器激發(fā)效率的仿真中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所自2002年開展對鈉信標(biāo)激光器的研發(fā)以來,已成功研發(fā)了若干代鈉信標(biāo)激光器試驗(yàn)樣機(jī),并受到國際上30m望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的關(guān)注作為其參選的鈉信標(biāo)激光器之一1激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡鈉信標(biāo)測光系統(tǒng)由鈉信標(biāo)激光器、激光傳輸光路及激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡、信標(biāo)回光測量系統(tǒng)、大氣相干長度測量儀、鈉原子激光雷達(dá)等組成。鈉信標(biāo)激光器由中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所提供,其第二代20W級百微秒脈沖鈉信標(biāo)激光器采用了腔外和頻的方案,1064nm與1319nm種子光源采用了環(huán)形行波腔結(jié)構(gòu),并用標(biāo)準(zhǔn)具壓窄其線寬,經(jīng)過主振-功率放大等系統(tǒng)后,在三硼酸鋰(LBO)晶體內(nèi)對兩路輸出激光實(shí)現(xiàn)和頻,經(jīng)過優(yōu)化后最終獲得的和頻589nm的激光在實(shí)驗(yàn)室條件下平均功率可達(dá)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(dǎo)入至激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡入瞳處,經(jīng)激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束放大后向天頂方向發(fā)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(qū)分開,激光發(fā)射與接收端采用分孔徑工作模式。在分孔徑工作模式下,發(fā)射望遠(yuǎn)鏡與接收望遠(yuǎn)鏡的光軸間距越大,接收望遠(yuǎn)鏡的成像中,鈉信標(biāo)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(biāo)光斑的拉長。受外場實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制,發(fā)射與接收望遠(yuǎn)鏡主光軸軸間距約為5.6m,在后續(xù)章節(jié)的成像結(jié)果中可以看到,此時鈉信光斑與瑞利散射光已經(jīng)基本分開,且并未觀察到明顯的光斑拉長現(xiàn)象。激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的主要參數(shù)見表2。鈉信標(biāo)回光測量系統(tǒng)利用云南麗江1.8m望遠(yuǎn)鏡作為接收成像望遠(yuǎn)鏡,成像CCD位于望遠(yuǎn)鏡卡式焦點(diǎn)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(biāo)V星等的計算。大氣透過率由恒星在不同高角時的測光數(shù)據(jù)計算得到測光實(shí)驗(yàn)中還加入了大氣相干長度測量儀2鈉信標(biāo)光柵系統(tǒng)的研究實(shí)驗(yàn)中將鈉信標(biāo)測光數(shù)據(jù)與已知星等的恒星測光數(shù)據(jù)相比較,根據(jù)天文上對星等的定義,并綜合考慮實(shí)際使用的V波段濾光片透過率曲線、恒星或鈉信標(biāo)光譜、CCD量子效率曲線的影響,進(jìn)而計算得到鈉信標(biāo)在V波段內(nèi)有效的回波光子數(shù)及對應(yīng)V星等。在標(biāo)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(biāo)測光數(shù)據(jù)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(shí)際測光系統(tǒng)采集到的恒星圖像的灰度值Φ式中:Φ對于鈉信標(biāo),在同樣的曝光參數(shù)設(shè)置下,類似于公式(1),并考慮到鈉信標(biāo)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(shù),歸算后鈉信標(biāo)圖像灰度值為Φ式中:各符號代表的物理量同公式(1),角標(biāo)指各物理量在波長λ=589nm的值。根據(jù)天文學(xué)上對星等的定義式中:M然而,由于鈉信標(biāo)單波長的特性,將利用公式(3)計算得到的V星等數(shù)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(biāo)星等定義的方法利用公式(4)計算得到鈉信標(biāo)V星等數(shù)值結(jié)果要更接近于自然星的V星等數(shù)值,同時與美國星火靶場的計算方法所得結(jié)果要更為接近。根據(jù)參考文獻(xiàn)[36],已知V星等數(shù)值為M考慮到鈉信標(biāo)單波長的性質(zhì),并根據(jù)V波段濾光片在589nm的理論透過率W3結(jié)果3.1鈉信標(biāo)光斑大小變化實(shí)驗(yàn)中,通過對鈉信標(biāo)激光器、激光傳輸光路和激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)化升級,經(jīng)過多次的調(diào)試后,鈉信標(biāo)光斑大小和形態(tài)都有了逐步的提升。圖1給出了自2011年以來鈉信標(biāo)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(biāo)光斑大小(FWHM來計算)。自首次實(shí)驗(yàn)以來,鈉信標(biāo)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)?？紤]到成像系統(tǒng)相差及視寧度的影響,鈉信標(biāo)在鈉層上的實(shí)際半高全寬小于2.0′。圖1(b)~(e)為對應(yīng)的各測試階段鈉信標(biāo)的成像圖,顯示視場為47′。3.2中心頻率藍(lán)移時回光強(qiáng)度的變化在鈉信標(biāo)測光實(shí)驗(yàn)前首先對鈉信標(biāo)激光器的中心波長(即中心頻率)及出光的偏振態(tài)進(jìn)行優(yōu)化,以保證鈉信標(biāo)回光亮度的最大化。對鈉信標(biāo)激光器中心頻率的優(yōu)化結(jié)果如圖2所示,測量時激光器的偏振狀態(tài)為初始的線偏振狀態(tài)。圖2中橫軸為鈉信標(biāo)激光中心頻率的偏移量,以鈉信標(biāo)回光亮度最大處為橫軸零點(diǎn);縱軸為歸一化之后的鈉信標(biāo)光斑亮度(單位:ADU)。從圖中可以看出,將激光器中心頻率調(diào)偏時,獲得的鈉信標(biāo)亮度也對應(yīng)地減弱。在實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)激光器中心頻率調(diào)偏約-0.34GHz或+0.43GHz時,獲得的回光強(qiáng)度為中心頻率未調(diào)偏時的80%;而當(dāng)中心頻率調(diào)偏約-0.66GHz或+1.00GHz時,獲得的回光強(qiáng)度僅為中心頻率未調(diào)偏時的50%。實(shí)驗(yàn)中還觀察到,在激光器中心頻率藍(lán)移時,回光強(qiáng)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(lán)移激發(fā)到鈉原子D激光器出光的偏振狀態(tài)由λ/4波片來控制,通過調(diào)節(jié)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(tài)的出光,結(jié)果見圖3所示,圖中橫軸為λ/4波片的旋轉(zhuǎn)角度,縱軸為接收信號的光電倍增管(PhotomultiplierTube,PMT)信號讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)角度進(jìn)行了10次的測量(圖中×),并用平均值(圖中莰)來進(jìn)行正弦擬合?？紤]到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的時間較長,在此時間內(nèi)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(shù),最終擬合結(jié)果如圖中實(shí)線所示。由于圓偏光的激發(fā)效率要高于同等狀態(tài)下線偏光的結(jié)果3.3入階子數(shù)、自由鈉信標(biāo)的計算實(shí)驗(yàn)中利用CCD相機(jī)分別在圓偏光和線偏光出光狀態(tài)下,對不同出光功率時鈉信標(biāo)的回光強(qiáng)度進(jìn)行了若干次的測量,并利用公式(4)和公式(6)對鈉信標(biāo)的回波光子數(shù)和星等進(jìn)行了計算,結(jié)果如圖4所示。圖(a)和圖(c)為2013年11月14日的測量結(jié)果,圖(b)和圖(d)為2013年11月16日的測量結(jié)果;圖(a)和圖(b)為計算得到的鈉信標(biāo)V星等,圖(c)和圖(d)則為計算得到的鈉信標(biāo)在望遠(yuǎn)鏡入瞳處的光子數(shù)流量;圓圈和方框分別對應(yīng)圓偏光和線偏光狀態(tài)下的測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中所得的最亮鈉信標(biāo)等(出光功率19W,圓偏光狀態(tài))為7.40V星等,對應(yīng)返回的光子數(shù)(折算到大氣層上方)為9.65×103.4鈉信標(biāo)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(fā)效率時,目前多數(shù)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(dá)接收望遠(yuǎn)鏡表面的鈉信標(biāo)光子數(shù)流量(單位:photons·s在實(shí)驗(yàn)過程中,激光發(fā)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(biāo)圖像的標(biāo)定文中搭建