多波长级联激发钠激光导星及自适应光学校正方法

技术领域

本发明属于自适应光学领域，尤其涉及一种利用大气中间层的钠原子层为 自适应光学系统提供多种波长信标光的技术。

背景技术

当光束在大气中传输时，由于大气湍流的影响，会引起光束的波前发生畸 变，对地基天文观测的影响表现为图像分辨率下降，使观测目标变模糊。目前， 为了提高观测目标的分辨率，基于人造导星技术的自适应光学越来越受到研究 人员的重视。钠激光导星自适应光学系统的工作原理是：利用激光将距离地面 80～120千米处钠层中的钠原子激发到激发态，然后以钠原子自发辐射发出的光 为信标光，通过探测该信标光所携带的大气湍流引起的波前畸变信息，自适应 光学校正系统可对天文观测光的波前畸变做出补偿，进而提高观测目标的分辨 率。如何充分利用稀薄的钠原子层获得更亮、携带更多波前信息以及波长与观 测光更接近的信标光是该技术的关键。

目前基于钠导星的自适应光学系统，通常在地面发射一束589nm的激光将 钠层中的钠原子激发到第一激发态3P能级，接着处于3P能级的钠原子通过自 发辐射发出589nm的荧光，地基望远镜系统利用该荧光作为信标光来校正大气 湍流引起的波前畸变。然而地基天文观测通常使用的工作波段是大气透射窗口 的可见光至红外波段，并且更多的是使用近红外波段，因此仅仅利用589nm的 信标光对于校正波长不是589nm的光的波前畸变需要进行换算。而且从根本上 来说单一波长的信标光无法校正大气引起的倾斜像差，在实际应用中往往要在 人造导星外再寻找一颗自然导星辅助校正倾斜像差。此外，稀薄的钠原子层中 可利用的钠原子数量有限，而目前的钠激光导星又仅利用了钠原子的基态与第 一激发态两个能级，因此受二能级系统饱和效应的限制，单纯提高589nm激光 强度无法获得钠导星亮度的线性增加。此外，目前普遍使用的光电探测器的峰 值响应波段位于近红外，589nm并非处于探测器的峰值响应波段，不利于探测。

由上可见，现有的钠激光导星信标光波长单一，且离望远镜工作波段较远； 无法校正大气引起的倾斜像差；亮度受二能级系统饱和效应的限制；信标光不 处于探测器峰值响应波段等缺点。

发明内容

本发明的目的在于通过多种波长激光级联激发的方式，能充分利用大气钠 层中稀薄的钠原子的各个能级，为自适应光学系统提供多种波长信标光。

本发明的原理在于：通过激光源不仅能提供589nm的激光能将钠原子激发 到3P能级，还能提供其它波长的光将钠原子级联激发到更高的能级。例如用819 nm光将钠原子从3P能级激发到3D能级，再用1847nm光将钠原子从3D能级 激发到4F能级；用1140nm光将钠原子从3P能级激发到4S能级；用616nm 光将钠原子从3P能级激发到5S能级。这样，处于高能级的钠原子在逐级或者 越级向低能级跃迁的过程中释放出不同波长的荧光作为信标光。

本发明采用的技术方案是：

一种多波长级联激发钠激光导星，包括激光源、激光发射装置、荧光接收 装置、波前探测装置、波前校正系统和成像装置。所述激光源提供的激光波长 至少包含589nm，同时根据需要包含819nm、1847nm、616nm、1140nm中的 一种或者多种；所述激光发射装置将所述激光源提供的不同波长的激光发射至 大气钠层，将大气钠层中的钠原子级联激发到不同波长对应的高能级；处于高 能级的钠原子将逐级或者越级向低能级跃迁，同时释放出不同波长的荧光，作 为信标光；所述荧光接收装置收集所述信标光后，再经过所述波前探测装置探 测该信标光的波前信号并送到波前校正系统；所述成像装置对目标进行成像获 得目标图像；所述波前校正系统根据波前探测装置的波前信号校正目标图像。

进一步地，所述激光源提供的各个不同波长激光的中心波长分别对准对应 能级的超精细结构。

进一步地，所述波前探测装置由多个哈特曼波前传感器组成。

进一步地，所述波前校正系统采用带有图像处理软件的计算机、变形镜或 相位调制器。

进一步地，所述激光发射装置包括反射镜、若干个合束镜和激光发射望远 镜。

进一步地，所述荧光接收装置为望远镜。

进一步地，所述成像装置包括天文望远镜和成像元件。

进一步地，所述荧光接收装置中的望远镜与所述成像装置的天文望远镜为 同一个望远镜，或者是单独的两个望远镜。

本发明还提供了一种自适应光学校正方法，包括以下步骤：

S1.将不同波长的激光发射至大气钠层，所述不同波长的激光的波长至少包 含589nm，同时根据需要包含819nm、1847nm、616nm、1140nm中的一种或 者多种；

S2.大气钠层中的钠原子被不同波长的激光级联激发到对应的高能级，然后 处于高能级的钠原子将逐级或者越级向低能级跃迁，同时释放出不同波长的荧 光，作为信标光；

S3.接收并测量所述信标光的波前信号，并根据信标光的波前信号校正目标 图像。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过多种波长激光级联激发 的方式，能充分利用稀薄的大气钠层中有限的钠原子的各个能级，缓解二能级 系统的饱和效应的同时能提供多个波长信标光，弥补现有的钠导星信标光波长 单一的缺陷，便于校正其它波长的波前畸变，尤其是近红外光的波前畸变。同 时提出了多波长级联激发的方案，该方案采用的激光除了589nm光外，其余光 波长都比589nm长，在大气中传输时散射系数小，能够在减少散射损耗的同时 减轻后向散射光对探测光的影响。而且目前普遍使用的探测器在819nm的灵敏 度比589nm高，更适合探测819nm信标光。

附图说明

图1为本发明第一个实施例的结构示意图；

图2为本发明第二个实施例的结构示意图。

图例说明：

11.589nm激光器；12.819nm激光器；13.1140nm激光器；14.589nm 激光；15.819nm激光；16.1140nm激光；17.1847nm激光器；18.1847nm 激光；21.反射镜；22.第一合束镜；23.第二合束镜；24.激光发射望远镜； 31.大气钠层；32.钠导星；33.天文观测目标；34.信标光；35.探测光； 41.天文望远镜；42.分光镜；51.哈特曼波前探测器；61.成像CCD；62. 图像处理计算机。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示是本发明的第一个实施例。

本实施例中多波长级联激发钠激光导星包含以下部分：由589nm激光器11、 819nm激光器12和1140nm激光器13共同组成的激光源；由反射镜21、第一 合束镜22、第二合束镜23和激光发射望远镜24共同组成的激光发射装置；由 天文望远镜41和成像CCD61构成的成像装置；由天文望远镜41和分光镜42 共同组成的荧光接收装置；由三个哈特曼传感器51组成的波前探测装置；由图 像处理计算机62组成的波前校正系统。本实施例中荧光接收装置中的望远镜与 成像装置的天文望远镜为同一个望远镜，即天文望远镜41，并且采用CCD作为 成像元件。

本实施例的具体工作原理如下：首先激光器11、12、13分别发出波长为 589nm、819nm和1140nm的激光14、15和16；3束激光通过反射镜21、第 一合束镜22和第二合束镜23合成一路光束，并由激光发射望远镜24发射到大 气钠层31中；大气钠层31中的钠原子在589nm激光的作用下从基态能级3S 跃迁至3P能级，接着处于3P能级的一部分钠原子在819nm激光的作用下跃迁 至3D能级，一部分处于3P能级的钠原子在1140nm激光的作用下跃迁至4S 能级；紧接着处于3D、4S、3P能级的钠原子将通过自发辐射的方式逐级跃迁回 基态能级3S，同时发出819nm、1140nm和589nm的荧光，形成钠导星32； 钠导星32发出的信标光34被天文望远镜41收集并通过分束镜42反射至对应 的哈特曼波前传感器51中；各哈特曼波前传感器51探测信标光34的波前信号 后传送给图像处理计算机62；同时天文观测目标33发射的探测光35被天文望 远镜41收集后透过分束镜42进入成像CCD61；成像CCD61将目标图像传送 给图像处理计算机62；最后图像处理计算机根据哈特曼波前传感器51所提供的 波前信号校正CCD提供的目标图像，使得目标图像更加清晰。

如图2所示是本发明的第二个实施例。本实施例与实施例1的主要区别在 于激光源增加了1847nm激光器。本实施例包括：由589nm激光器11、819nm 激光12、1140nm激光器13和1847nm激光器17共同组成的激光源；由反射镜 21、第一合束镜22、第二合束镜23、第三合束镜25和激光发射望远镜24共同 组成的激光发射装置；由天文望远镜41和成像CCD61构成的成像装置；由天 文望远镜41和分光镜42共同组成的荧光接收装置；由四个哈特曼波前传感器 51组成的波前探测装置；由图像处理计算机62组成的波前校正系统。

本实施例的具体工作原理如下：首先激光器11、12、13和17分别发出波 长为589nm、819nm、1140nm和1847nm的激光14、15、16和18；4束激光 通过反射镜21、第一合束镜22、第二合束镜23和第三合束镜25合成一路光束， 并由激光发射望远镜24发射到大气钠层31中；大气钠层31中的钠原子在589nm 激光的作用下从基态能级3S跃迁至3P能级，接着处于3P能级的一部分钠原子 在819nm激光的作用下跃迁至3D能级，一部分处于3P能级的钠原子在1140nm 激光的作用下跃迁至4S能级，再接着一部分3D能级的钠原子在1847nm激光 的作用下跃迁至4F能级；紧接着处于4F、3D、4S、3P能级的钠原子将通过 自发辐射的方式逐级跃迁回基态能级3S，同时发出1847nm、819nm、1140nm 和589nm的荧光，形成钠导星32；钠导星32发出的信标光34被天文望远镜 41收集并通过分束镜42反射至对应的哈特曼波前传感器51中；哈特曼波前传 感器51探测信标光34的波前信号后传送给图像处理计算机62；同时天文观测 目标33发射的探测光35被天文望远镜41收集后透过分束镜42进入成像CCD 61；成像CCD将目标图像传送给图像处理系统62；最后图像处理系统根据哈特 曼波前传感器51所提供的波前信号校正目标图像，使得目标图像更加清晰。

由于钠原子每一个能级都具有多个超精细结构，不同超精细结构之间的跃 迁强度不尽相同。本发明中为了提高激发效率，可以尽量使激光源所提供的激 光的中心波长分别对准对应能级中具有较大跃迁强度的超精细结构。本发明中 成像元件还可以采用CMOS或者其他具有成像功能的成像元件。

对于接收到的具有不同波长的信标光，波前校正系统根据波前探测装置的 波前信号校正目标图像，其具体过程与仅含有589nm信标光的自适应光学校正 过程类似，具体可以参考由F.Roddier编辑的书籍Adaptive Optics in Astronomy （Cambridge：Cambridge Univ.Press），1999。