[发明专利]多波长级联激发钠激光导星及自适应光学校正方法

说明书

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819nm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；