一种基于钠层结构化信标的自适应光学校正装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自适应光学技术领域，具体涉及一种基于钠层结构化信标来对光波前 畸变进行自适应光学校正的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 光束在大气中传播时，由于大气湍流的影响，光波前会发生随机畸变，导致大口径 地基天文望远镜的成像分辨率下降，大气层外观测目标变模糊。大气湍流对大口径地基天 文望远镜的这一影响等效为将其分割为许多直径等于大气相干长度r。的子孔径，大口径天 文望远镜的有效相干口径等于子孔径大小。而通常在较好的天气条件下可见光波段的大气 相干长度r。仅为20厘米，因此，大气湍流会严重限制天文望远镜有效相干口径大小。目前， 为了补偿大气湍流引起的随机波前畸变，提高地基天文望远镜的成像分辨率，基于钠导星 的自适应光学技术越来越受到研究人员的重视，且发展迅速，早已有了利用该技术补偿波 前畸变将地基天文望远镜分辨率提高到接近衍射极限的报道。近年来，多层共辄自适应光 学技术的迅速发展，更是极大地提高了钠激光导星自适应光学技术的地位。在2012年，美 国双子座天文台将50W钠激光分成5XIOW子光束，在钠层激发5颗钠激光导星，从而在超 过85X85角秒的广视场得到了H波段斯特列尔比大于35 %的图像。钠激光导星自适应光 学系统的工作原理是：利用钠激光器发射激光到距离地面（90~100)千米的钠层，将钠层 中的钠原子栗浦到激发态，然后以钠原子自发辐射发出的荧光为后向散射光，通过探测该 后向散射荧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做出补偿， 进而提高望远镜成像分辨率。而波前畸变的探测是该系统实现有效补偿的前提。
[0003]目前钠激光导星自适应光学技术最常用的波前畸变探测方法是利用哈特曼波前 传感器探测子信标后向散射光波前畸变。由于单个子信标大气覆盖范围有限，且存在聚焦 非等晕现象，为了实现较大范围的探测，这一方法往往需要多个子信标和与之相匹配的多 个哈特曼波前传感器，例如多层共辄自适应光学技术。此外，由于哈特曼波前传感器需要分 孔径对波前畸变进行探测，这一方法要求较高的后向散射光子密度以确保探测精度。由此 可见，探测范围小和对后向散射光子密度要求高是目前钠激光导星自适应光学技术亟待解 决的两个固有问题。
[0004] 近年来高能钠导星激光器发展迅速，中国工程物理研究院在2014年研制出了 380 毫焦耳的钠导星脉冲激光器，其脉冲频率为50赫兹，脉冲宽度为140微秒，有效功率大于 2500W。这为本方法中在钠层激发足够密集的结构化信标提供了可能。
【发明内容】
[0005] 为了解决大气层外观测目标的光波前畸变问题，本方法提出了利用钠层结构化信 标来校正该光波前畸变。对传统基于哈特曼波前传感器的自适应光学技术进行了改进，增 大了对大气湍流的探测范围，避免了聚焦非等晕效应。
[0006] 本发明采用的技术方案为：一种基于钠层结构化信标的自适应光学校正装置，该 装置包括结构化钠激光光束阵列产生装置、地面望远镜系统、波前畸变提取装置、波前畸变 校正装置；所述结构化钠激光光束阵列产生装置包括589nm钠激光器、分光元件、准直透 镜，所述地面望远镜系统包括倾斜镜、透镜、摆镜、收发望远镜，所述波前畸变提取装置包括 分光镜、一号聚焦透镜、一号C⑶相机、计算机；所述波前畸变校正装置包括变形镜、589nm 滤光片、二号聚焦透镜、二号CCD相机、计算机（与波前畸变提取装置共用一台计算机）； 589nm钠激光器出射激光经分光元件分为由若干子光束组成的钠激光光束阵列（所述钠激 光光束阵列的横截面图样为均匀分布的光斑阵列），经准直透镜准直后，钠激光光束阵列 入射到倾斜镜表面，此时倾斜镜的法线处于与水平方向成135度夹角位置，钠激光光束阵 列经倾斜镜表面反射再经透镜聚束后经由收发望远镜中心的圆孔（收发望远镜中心圆孔 位于透镜的焦点处）入射到摆镜表面，所述摆镜位于收发望远镜焦点附近，将入射的钠激 光光束阵列反射并发散以充满整个收发望远镜口径，所述收发望远镜用于对钠激光光束阵 列进行准直，使相邻子光束之间以设定的发射角从收发望远镜向上出射从而使钠激光光束 阵列在传输方向上发散；钠激光光束阵列上行传输时各子光束受大气端流影响发生不同角 度的微偏折，当钠激光光束阵列传输到（90~100)km钠层时，钠层中钠原子被各阵列子光 束栗浦到激发态从而形成由多个子信标阵列组成的结构化信标（由于钠激光光束阵列中 的各子光束受大气湍流影响发生了不同角度的微偏折，钠层结构化信标内的子信标发生横 向漂移，不再均匀分布，从而使结构化信标携带了钠激光光束阵列上行传输时采样得到的 大气湍流信息），结构化信标中的受激钠原子自发辐射产生的后向散射荧光与来自大气层 外观测目标的光均由收发望远镜接收并汇聚到摆镜表面，再在摆镜表面发生反射后经由收 发望远镜中心的圆孔被透镜准直后传播到倾斜镜表面，此时倾斜镜的法线处于与水平方向 成45度夹角位置，后向散射荧光与来自大气层外观测目标的光被倾斜镜反射至分光镜，所 述分光镜对波长为589nm的后向散射焚光有着高透过率而对其他波长的光有着高反射率， 因此绝大部分后向散射荧光透过分光镜被一号聚焦透镜汇聚到一号CCD相机得到钠层结 构化信标的图像，一号CCD相机将钠层结构化信标的图像传输到计算机，在计算机内提取 出钠激光光束阵列上行传输时采样得到的波前畸变信息；绝大部分来自大气层外观测目标 的光则被分光镜反射至变形镜，计算机根据提取出的波前畸变信息控制变形镜校正由分光 镜反射来的大气层外观测目标光波前畸变，经变形镜校正后的大气层外观测目标光波前由 589nm滤光片滤去残余后向散射焚光后，由二号聚焦透镜聚焦到二号CCD相机中得到大气 层外观测目标的清晰图像，并将该图像传输至计算机中。
[0007] 本发明另外提供一种基于钠层结构化信标的自适应光学校正方法，利用上述的基 于钠层结构化信标的自适应光学校正装置，该方法包括以下步骤：
[0008] 步骤（1)产生并发射结构化钠激光光束阵列：589nm钠激光器出射激光经分光元 件分为由若干子光束组成的钠激光光束阵列，经准直透镜准直后，钠激光光束阵列入射到 倾斜镜表面，控制倾斜镜使其法线处在与水平方向夹角为135度角的位置，钠激光光束阵 列经倾斜镜表面反射再经透镜聚束后经由收发望远镜中心的圆孔入射到摆镜表面，所述摆 镜将钠激光光束阵列反射并发散以充满整个收发望远镜口径，所述收发望远镜用于对钠激 光光束阵列进行准直，使相邻子光束之间以设定的发射角从收发望远镜向上出射，由收发 望远镜发射的结构化钠激光光束阵列关于收发望远镜的中心轴线对称，设定相邻两束子光 束之间的发射角时应确保相邻两束子光束之间的间隔在上行传输过程中始终不超过大气 相干长度r。（对于直径不大于大气相干长度r。的光学系统，大气湍流不会严重破坏其成像 性能，因此，为了确保探测精度，可以将光波前划分为若干个直径不大于大气相干长度的子 孔径）；此外，钠激光光束阵列从收发望远镜出射时，相邻两束子光束之间的间隔不能太小 且结构化激光光束阵列在传输方向上必须是发散的，这样才能确保（90~100)km钠层中由 子光束激发出的钠层子信标之间有足够大的间距以区分相邻的子信标。
[0009] 步骤（2)结构化钠激光光束阵列对大气湍流进行采样：由收发望远镜发射的结构 化钠激光光束阵列通过大气湍流上行传输时，其各子光束受大气湍流影响，会发生与其经 过大气湍流像差（平面波经过大气湍流所产生的像差）的局部波前倾斜成正比的角度微 偏折，如图2所示，W(x，y)为大气湍流像差的波前，该波前被分割为若干直径不超过大气相 干长度r。的子孔径，将子孔径内波前的局部倾斜用一倾斜平面波进行线性拟合，平面波的 倾斜等于子孔径内波前畸变的平均倾斜，若通过子孔径的子光束截面尺寸远小于子孔径尺 度，则子光束经过大气湍流后，其传输方向与拟合平面的法向相同（如图2中实线所示）。 因此，结构化钠激光光束阵列中各子光束会受各子孔径内大气湍流像差影响发生不同角度 A0