基于超短脉冲多层共轭自适应光学的钠信标预校正系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于超短脉冲多层共轭自适应光学的钠信标预校正系统，包括超短脉冲钠信标激光器、扩束透镜、分光器A、倾斜反射镜、至少两级光路共轭的湍流校正单元、扩束透镜组、钠信标发射望远镜、倾斜探测器、倾斜控制器，所述湍流校正单元包括靠近发射端的分光器B、以及位于分光器B与扩束透镜组之间的变形镜，所述分光器B具有与其对应设置的湍流探测器，湍流探测器具有与其配套的湍流控制器，湍流控制器用于控制与其对应的变形镜。通过对上行路径湍流进行分层探测，并共轭校正，有效克服上行路径湍流产生的幅值和相位起伏，避免钠信标光斑扩展和闪烁效应，容易实现，适用范围广，能够有效提升观测望远镜后端AO系统校正性能等。

【技术实现步骤摘要】
基于超短脉冲多层共轭自适应光学的钠信标预校正系统
本专利技术涉及一种自适应光学系统，具体涉及一种基于超短脉冲多层共轭自适应光学的钠信标预校正系统。
技术介绍
天文望远镜是探索黑洞物理、暗物质、暗能量、天体起源、宇宙起源、生命起源的有力工具，为了进一步加深对以上问题的理解，不断提升望远镜的分辨力是人类的永恒追求，其有力的手段就是利用大口径地基望远镜进行观测，因此望远镜的口径不断增加，目前，在建的大口径地基望远镜口径已经达到了30m量级。然而，由于地球上空大气湍流扰动的影响，导致观测目标波前从平面波前变成了畸变波前，因此，几十米口径望远镜的分辨力实际仅仅与10～20cm口径的望远镜相当。自1953年，巴布科克提出了自适应光学(AdaptiveOptics,AO)的概念以来，利用波前探测器探测湍流产生的波前畸变，波前控制器根据探测得到的畸变信号，控制波前校正器产生相应的补偿相位，使望远镜分辨力达到衍射极限成为主流手段。自适应光学进行补偿时，首先需要利用信标探测湍流产生的随机扰动。为了克服自然信标天空覆盖率不足的问题，瑞利信标和钠信标成为了进行波前探测的主要手段。瑞利信标主要是利用激光与大气分子发射瑞利散射而产生，通常产生的高度不高于25km；钠信标主要利用钠激光激发90～100km处钠原子共振散射而产生。由于钠信标产生的高度更高，圆锥效应更小，因此成为了目前自适应光学进行波前探测的主要方式。Hardy在其著作《AdaptiveOpticsforAstronomicalTelescopes》中明确指出，利用哈特曼波前探测器进行波前探测时，波前探测误差其中θ为钠信标光斑半宽，N为钠信标回光数，从中可以看出，钠信标光斑形态将直接影响后端AO系统的校正性能，因此理想的钠信标光斑尺寸应该足够小，回光数应该足够多，且回光数稳定。但是，由于钠激光上行路径中同样存在大气湍流，一方面使上行钠激光波前相位产生畸变，对钠信标光斑展开模糊扩展；另一方面，靠近地表附近的湍流最强，而且经过90km的传输，经菲涅尔衍射，这一层湍流产生的相位起伏已经转变为幅值起伏，将引起钠信标亮度的闪烁效应，造成钠信标回光不稳定，这两方面都将降低了波前探测的可靠性和精准性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于超短脉冲多层共轭自适应光学的钠信标预校正系统，充分利用超短脉冲传输特性，探测大气湍流情况，复原上行路径湍流信息，具有良好的可靠性和可操作性。其技术方案如下：一种基于超短脉冲多层共轭自适应光学的钠信标预校正系统，其关键在于：包括超短脉冲钠信标激光器、扩束透镜、分光器A、倾斜反射镜、至少两级光路共轭的湍流校正单元、扩束透镜组、钠信标发射望远镜、倾斜探测器、倾斜控制器，所述湍流校正单元包括靠近发射端的分光器B、以及位于分光器B与扩束透镜组之间的变形镜，所述分光器B具有与其对应设置的湍流探测器，所述湍流探测器具有与其配套的湍流控制器，所述湍流控制器用于控制与其对应的变形镜；所述钠信标发射望远镜能够接收出射超短脉冲与大气分子发生弹性散射产生的瑞利信标回光，从超短脉冲钠信标激光器发出的超短脉冲，经扩束透镜扩束，和分光器A的透射后，经由倾斜反射镜反射后通过湍流校正单元，再经扩束透镜组透射后进入钠信标发射望远镜，并发射进入大气层，所述湍流探测器通过对应分光器B探测瑞利回光信息，并反馈至湍流控制器，所述湍流控制器通过反馈信息控制对应变形镜产生相应共轭相位形变。采用以上方案，利用超短脉冲钠激光在大气中传输时，可以产生不同高度一系列的瑞利信标的特性，将其用于本系统中，可以对不同海拔高度处的大气湍流进行分层探测，然后在发射光路中多级湍流校正单元进行共轭校正，克服了由于强湍流对钠信标造成的光斑扩展和闪烁效应，产生理想的钠信标，提升后端自适应光学系统性能，特别适合湍流较强的观测站址，以及对钠信标光斑形态要求较高的接收端自适应光学系统。作为优选：所述湍流校正单元有两级，两级湍流校正单元分别为高层湍流校正单元和低层湍流校正单元；其中高层湍流校正单元包括第一分光器B、高层共轭变形镜、高层湍流控制器、以及位于第一分光器B的透射光路上的高层湍流探测器，低层湍流校正单元包括第二分光器B、低层共轭变形镜、低层湍流控制器、以及位于第二分光器B的反射光路上的低层湍流探测器。采用以上布局方案，有利于提高系统整体布局紧凑性，同时减少光学器件数量，减少光能损耗，降低系统实施成本等。作为优选：所述超短脉冲钠信标激光器发射脉冲宽度小于10μs，且脉冲间隔时间大于等于600μs。通常瑞利信标的选通距离不超过3km，采用10μs宽度的脉冲，可避免超过湍流探测器哈特曼子孔径的视场角，各个子孔径之间产生干涉的情况，同时大于等于600μs的脉冲间隔时间，可确保两个脉冲的回光之间不会产生重叠，保证探测湍流信息的准确性。作为优选：所述分光器A和分光器B均采用分时分光结构。采用以上方案，可根据不同高度处瑞利信标和钠信标以及出射脉冲到达的时间不同进行分光，确保不同层级湍流校正单元能够正常工作，提高校正精准度等。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术利用多层共轭预校正方式，对钠信标上行激光经历湍流产生的相位畸变进行补偿，可以针对任意分层的大气湍流进行校正，从而可以完全克服湍流相位起伏因为传输较远距离后，菲涅尔衍射产生的幅值起伏。本专利技术利用超短脉冲与大气分子发生瑞利散射产生瑞利信标，并且在不同海拔高度处均可以产生瑞利信标，从而实现大气湍流的分层探测。本专利技术由于利用多层共轭自适应光学进行预校正，因此，针对不同的站址条件，可以选择不同层数的湍流进行校正，系统的设计将更加灵活，适应更多站址情况，具有更普遍的应用前景。综上所述，本专利技术针对强湍流大气条件，且后端AO系统对钠信标光斑形态要求较高的时候，通过对上行路径湍流进行分层探测，然后利用多块变形镜对这些湍流薄层进行共轭校正，能够有效克服上行路径湍流产生的幅值和相位起伏，避免钠信标光斑扩展和闪烁效应。本专利结构简洁，元器件成熟，容易实现，适用范围广，能够有效提升观测望远镜后端AO系统校正性能等。附图说明图1为本专利技术装置的组成及原理示意图；图2为超短脉冲上行到地表层湍流以上时，产生瑞利信标对地表层湍流进行采样及预校正示意图；图3为超短脉冲到达钠层，钠信标对高层湍流采样并进行预校正示意图；图4为超短脉冲以及各分光器的时序图。具体实施方式以下结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明。参考图1至图4所示的基于超短脉冲多层共轭自适应光学的钠信标预校正系统，其主要包括超短脉冲钠信标激光器1、扩束透镜2、分光器A3、倾斜反射镜4、至少两级光路共轭的湍流校正单元、扩束透镜组9、钠信标发射望远镜10、倾斜探测器12，其中湍流校正单元主要包括分光器B和变形镜，以及与分光器B对应设置的湍流探测器，和与变形镜相连的湍流控制器(波前探测器)，湍流控制器能够接收湍流探测器的反馈信息，并控制相连的变形镜，完成闭环校正。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超短脉冲多层共轭自适应光学的钠信标预校正系统，其特征在于：包括超短脉冲钠信标激光器(1)、扩束透镜(2)、分光器A(3)、倾斜反射镜(4)、至少两级光路共轭的湍流校正单元、扩束透镜组(9)、钠信标发射望远镜(10)、倾斜探测器(11)、倾斜控制器(12)，所述湍流校正单元包括靠近发射端的分光器B、以及位于分光器B与扩束透镜组(9)之间的变形镜，所述分光器B具有与其对应设置的湍流探测器，所述湍流探测器具有与其配套的湍流控制器，所述湍流控制器用于控制与其对应的变形镜；/n所述钠信标发射望远镜(10)能够接收出射超短脉冲与大气分子发生弹性散射产生的瑞利信标回光，从超短脉冲钠信标激光器(1)发出的超短脉冲，经扩束透镜(2)扩束，和分光器A(3)的透射后，经由倾斜反射镜(4)反射后通过湍流校正单元，再经扩束透镜组(9)透射后进入钠信标发射望远镜(10)，并发射进入大气层，所述湍流探测器通过对应分光器B探测瑞利回光信息，并反馈至湍流控制器，所述湍流控制器通过反馈信息控制对应变形镜产生相应共轭相位形变。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于超短脉冲多层共轭自适应光学的钠信标预校正系统，其特征在于：包括超短脉冲钠信标激光器(1)、扩束透镜(2)、分光器A(3)、倾斜反射镜(4)、至少两级光路共轭的湍流校正单元、扩束透镜组(9)、钠信标发射望远镜(10)、倾斜探测器(11)、倾斜控制器(12)，所述湍流校正单元包括靠近发射端的分光器B、以及位于分光器B与扩束透镜组(9)之间的变形镜，所述分光器B具有与其对应设置的湍流探测器，所述湍流探测器具有与其配套的湍流控制器，所述湍流控制器用于控制与其对应的变形镜；
所述钠信标发射望远镜(10)能够接收出射超短脉冲与大气分子发生弹性散射产生的瑞利信标回光，从超短脉冲钠信标激光器(1)发出的超短脉冲，经扩束透镜(2)扩束，和分光器A(3)的透射后，经由倾斜反射镜(4)反射后通过湍流校正单元，再经扩束透镜组(9)透射后进入钠信标发射望远镜(10)，并发射进入大气层，所述湍流探测器通过对应分光器B探测瑞利回光信息，并反馈至湍流控制器，所述湍流控制器通过反馈信息控制对应变...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄建，王青，王功长，李平，
申请(专利权)人：重庆工商大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50