科学|长空炼星——用激光钠导星点亮星空探索的道路科学

_原题：长空炼星——用激光钠导星点亮星空探索的道路
封面文章|陈天江,王锋,李新阳,鲁燕华,罗曦. 基于多种激光参数泵浦的钠导星回光强度研究[J]. 中国激光, 2020, 47(8): 0801001

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背景介绍
在天文观测中，发射具有特定精细谱线结构的589 nm激光，激发距地面80 km~110 km的高空钠层原子，产生共振荧光的后向散射回光作为导引星，可为地面自适应光学系统提供较为理想的大气波前畸变信息，有利于提高大口径望远镜的深空观测能力。
钠导星探测属于光子级微光探测，其后向共振荧光散射强度与大气传输效率、地磁场、以及泵浦激光参数（波长、线宽、偏振、功率）等诸多因素密切相关。因此，提高钠导星回光亮度以获得高信噪比的激光导星波前成像点阵，是钠导星应用研究中特别关注的问题。
创新研究
中物院应用电子学研究所陈天江研究员、中科院光电技术研究所李新阳研究员的项目团队开展了钠导星回光强度验证实验，通过调整输出激光的偏振态、中心波长、谱线线宽参数等技术手段，探索了各种泵浦条件下的回光强度的变化规律，定性验证了钠荧光散射模型的分析结果，为进一步开展高亮度钠导星技术研究提供了保障。
该团队采用两台具备精确谱线控制能力的大能量、百微秒脉宽的脉冲体制钠导星激光器作为泵浦激光光源，进行偏振合束发射，利用米级口径望远镜，结合高灵敏度可见光相机，采用时序同步选通技术、分孔径收发工作模式对钠导星回光图像进行探测（图1）。

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图1 钠导星回光同步探测实验系统示意图
实验中，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；对中心波长分别对应D2a线和D2b线、偏振态正交的两束激光进行偏振合束，经四分之一波片后即可获得圆偏光输出（图2）。

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图2 双线钠导星激光器原理示意图
通过白噪声源驱动电光相位调制器，实现对泵浦激光的光谱展宽, 获得500 MHz以内的多档位线宽的589 nm激光。通过光路上的四分之一波片实现泵浦光从线偏光到圆偏光的切换。
用高灵敏度可见光CCD可拍摄到钠导星标志性“惊叹号！”图像（图3）。图中的亮黄色光柱是近程20 km以内大气散射泵浦激光的瑞利回光，稍暗的圆点是泵浦激光在90 km高空中激发出的导星。

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图3 旁路相机探测到的钠导星“惊叹号！”图像
通过时序选通，屏蔽近程瑞利回光，获得了单帧钠导星的典型回光点阵平面图及其剖视图（图4）。

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图4 旁路相机探测到的钠导星典型单帧回光点阵平面图和剖视图
通过调整泵浦激光参数，对钠导星回光进行采集分析，取得了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，研究了偏振选择、双线激发以及线宽展宽等多种泵浦模式下的回光强度。
实验结果表明，在同等泵浦功率密度条件下，采用双线圆偏光泵浦钠层可获最强的导星回光。圆偏光泵浦回光强度约为线偏光的1.5倍；双线泵浦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时的1.5倍。
总结与展望
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，基于圆偏光双线展宽泵浦的钠导星工作模式是实现钠层原子高效激发和获得高亮度回光的有效途径。
项目团队未来将在较好站址进一步开展钠导星回光探测科学试验，结合相关技术措施，提高有效回光数据储备，探索和验证与钠层原子速度群吸收截面更加匹配的泵浦激光谱线精密可控参数，进一步提高导星高效激发技术。
课题组介绍
中物院应用电子学研究所、中科院光电技术研究所的项目团队依托于国家高技术研究发展计划，致力于开展激光钠导星技术研究并取得了丰富研究成果。从“十一五”期间探测到钠导星定性回光图像，到“十二五”的长脉冲钠导星回光特性实验，再到“十三五”的多泵浦参数激励的导星技术验证，技术团队在开展高效激发钠导星物理研究和技术路线探索的道路上不断取得进展，突破了高信噪比微光回光同步探测技术、钠导星大气聚焦非等晕性测量技术，验证了脉冲型钠导星波面应用于大气自适应光学校正的可行性；“十二五”研制出当时世界上最高输出功率的81W钠导星激光器，为进一步开展高亮度钠导星技术研究提供了保障。