激光钠导星泵浦参数分析与实验研究
发布时间：2021-04-17 23:29
获得高亮度的钠导星是实现大气波前畸变精准探测的重要条件,钠导星后向共振荧光散射强度与大气传输效率、地磁场、季节、发射系统参数、接收系统参数和泵浦激光参数等诸多因素密切相关。研究激光钠导星泵浦参数与回光强度之间的物理关系并进行实验验证,对指导具有高效激发性能的钠导星激光器设计、开展钠导星实验并获得高信噪比的导星回光信号具有重要作用,对用于天文领域深空探测的自适应光学技术发展具有重要意义。本文从钠原子超精细光谱理论模型出发,从理论和实验上进行了深入的研究和探索。主要研究内容如下:（1）从2能级速率方程出发,建立了直接关联激光泵浦参数和回光强度的2能级系统数值模型;完成2能级系统中多种谱线展宽条件下的钠共振荧光强度数值模拟;从2-4能级系统密度矩阵出发,通过求解矩阵ρ在热平衡状态下的稳态解,获得布洛赫方程的荧光算子的计算期望值,对钠原子共振荧光特性进行模拟;建立了钠导星物理参数设置模型,完成了具有实际参考意义的钠导星实验系统参数和大气条件参数设置;完成了 2-4能级系统中输出激光波长调谐、偏振态变换、功率密度调整、线宽调整、单/双线激发等泵浦状态下的钠共振荧光强度的数值模拟。模拟结果表明采用...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：119 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１散逸层Ｎａ原子相对丰度分布随时间的变化??钠层钠原子柱密度一般在１．５ｘｌ〇９／ｃｍ２至１５ｘｌ〇９／ｃｍ２之间变化
?激光钠导星泵浦参数分析与实验研究???规律２ａ２１。通常在狮子座流星雨过后的１１月，钠层柱密度总体较高；而当至每年??５月时，钠层柱密度降低至全年较低水平。以上特点在实验所得钠层丰度的全年??变化情况如图１－２所示２２。钠层丰度在小时量级（甚至可能在分钟量级）的时间??内既发生变化，总的柱密度在随时间不断波动。极端情况下，钠原子柱密度的最??大与最小值之比可达６倍以上，柱密度大幅度的涨落将严重影响基于钠激光导星??工作的自适应光学系统的稳定性。??图森全年钠层变化１ＳＲ?＿?０＞）钠层柱密度全年统计直方图??Ｉ?２０??ｉ?１０?？１９９５￣１９９６ＭｃＭｉｔｈ数据?■?｜??＊?Ｍ９９７ＡＦＯＥ?数据?■??３?？??层?？?ｇ??？?＊?－?．０?Ｊ??ｓ?ｊ?．?？?ｉ?？丨！丨??！，ｉ?＊ｒ：?：?；?．１?ａ?：??〇ｌ??Ｊ?Ｌ－［二一．‘丨＿＿＿??ｆ＇?Ｍ?Ａ?？?Ｊ?Ｊ?Ａ?Ｓ?０?Ｖ?Ｄ?Ｊ?０?＊?钠原１?子柱＊ｋ?１５??图卜２某地钠层柱密度全年的变化情况（平均值为３．７ｘｌ〇９／ｃｍ２）??为研宄钠层钠原子的形成机理与变化过程，人们在早期曾经使用太阳光的共??振散射进行探测，而后又使用过高空火箭直接探测。希尔多？梅曼发明激光器后??不久，英国射电和空间研究站的研究人员尝试利用共振散射研究高层大气次要成??分，并于１９６８年首先完成了以钠Ｄ线共振散射的钠层探测。初步试验证明了激??光共振散射技术应用于钠层丰度探测的可行性。自那时起经过多年的发展，积累??了大量珍贵的数据，不但完成了夜晚钠层探测实验，而且借助高功率或大能量激??光光源、高灵敏
线（对应３２Ｐｉ／２）和Ｄ２线（对应３２Ｐ３／２）。在原子核自旋的超精细磁相互??作用下，基态能级、Ｄ，线和Ｄ２线产生进一步分裂，当Ｊ＞Ｉ时，进一步分裂的能??级数为（２１＋１?），当Ｉ＞Ｊ时，进一步分裂的能级数为（２Ｊ＋１?）。因此处于基态的３２Ｓ１／２??精细能级被分裂成Ｆ＝ｌ、２两个超精细能级；处于激发态３２Ｐ１／２精细线能级被分??裂为Ｆ＇＝０、１两个能级，而３２Ｐ３／２被分裂为ｒ＝０、１、２、３四个能级。相近能级??间跃迁强度由其简并度决定，因此Ｄ２线的强度是Ｄ，线的两倍，如图１－４所示２６。??ＭＦ＇?＝?－３?－２?－１?０?１?２?３??２Ｐ３／２?／?＇?ｆ??／?、?１?——Ｉｆ－?１??／?——Ｊ?ｌ?０??Ｄ２ａ?Ｉ??、、．２Ｐｌ／２?／．?＝?５８９．１５９０８?ｎｍ?＞．〇）．?＝?５８９．１５９０５?ｎｍ??Ｄｆ?ｉ??°２ｂ??５８９．１５８３３?ｎｍ?ａ?＝?５８９．１５７０９?ｎｍ??Ｉ?ｊ??ｆ??Ｆ＿??ｔ?ｌ＿?ｔ?Ｆ；???ｉ＿ｗ?］?２??３ｓ?２Ｓｌ／２?＼?１??＇?▼＿?１??－Ｂｏｈｒ”?Ｎａ?Ｄ?Ｆｉｎｅ?Ｎａ?Ｄ２?Ｈｙｐｅｒｆｉｎｅ??Ｍｏｄｅｌ?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??图１－４钠原子Ｄ线跃迁能级图??因此，当有杲浦激光激发处于基态能级的钠原子时，钠原子将被激发到上能??级中，并不断通过从上能级向下能级跃迁的方式辐射光子，当发生从３２Ｐ３／２（Ｆ＝１、??２、３）到３２Ｓ，／２?（Ｆ＝２）能级跃迁时，产生波长为５８９．１５９１ｎｍ的Ｄ２ａ谱线荧光，??当发生从３２Ｐ３／２（Ｆ＝０、１、２）到３２
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光钠导引星技术研究进展[J]. 许祖彦,薄勇,彭钦军,张雨东,魏凯,薛随建,冯麓. 红外与激光工程. 2016(01)
[2]基于同步探测的脉冲钠导星聚焦非等晕性实验研究[J]. 陈天江,周文超,王锋,黄德权,鲁燕华,张建柱. 物理学报. 2015(13)
[3]激光导星角度与聚焦非等晕性综合分析[J]. 张建柱,张飞舟,吴毅. 强激光与粒子束. 2014(03)
[4]基于长脉冲光源的钠信标回光特性实验研究[J]. 王锋,陈天江,雒仲祥,鲁燕华,万敏,彭博,尹新启. 物理学报. 2014(01)
[5]激光钠信标荧光回波光子数的影响因素及其数值模拟[J]. 刘向远,钱仙妹,刘丹丹,黄宏华,饶瑞中. 中国激光. 2013(06)
[6]钠激光导星的饱和效应分析[J]. 王锋,叶一东,胡晓阳,雒仲祥,颜宏,何丽. 红外与激光工程. 2012(06)
[7]高分辨力哈特曼传感器的快速波面重构和拼接[J]. 颜宏,雒仲祥,叶一东,向汝建,王锋,何丽. 强激光与粒子束. 2012(06)
[8]2能级模型处理长脉冲圆偏振光与钠原子相互作用的合理性[J]. 柯磊,李有宽. 强激光与粒子束. 2009(08)
[9]人造信标波前测量[J]. 张卫,雒仲祥,向汝建. 强激光与粒子束. 2002(03)
[10]自适应光学系统对实际大气湍流波前的时域校正效果[J]. 饶长辉,姜文汉,凌宁,汤国茂,沈锋,张学军,陶慧敏. 光学学报. 2001(08)
博士论文
[1]武汉上空钠层的激光雷达观测与研究[D]. 杨国韬.中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所） 2004
本文编号：3144340
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：119 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１散逸层Ｎａ原子相对丰度分布随时间的变化??钠层钠原子柱密度一般在１．５ｘｌ〇９／ｃｍ２至１５ｘｌ〇９／ｃｍ２之间变化
?激光钠导星泵浦参数分析与实验研究???规律２ａ２１。通常在狮子座流星雨过后的１１月，钠层柱密度总体较高；而当至每年??５月时，钠层柱密度降低至全年较低水平。以上特点在实验所得钠层丰度的全年??变化情况如图１－２所示２２。钠层丰度在小时量级（甚至可能在分钟量级）的时间??内既发生变化，总的柱密度在随时间不断波动。极端情况下，钠原子柱密度的最??大与最小值之比可达６倍以上，柱密度大幅度的涨落将严重影响基于钠激光导星??工作的自适应光学系统的稳定性。??图森全年钠层变化１ＳＲ?＿?０＞）钠层柱密度全年统计直方图??Ｉ?２０??ｉ?１０?？１９９５￣１９９６ＭｃＭｉｔｈ数据?■?｜??＊?Ｍ９９７ＡＦＯＥ?数据?■??３?？??层?？?ｇ??？?＊?－?．０?Ｊ??ｓ?ｊ?．?？?ｉ?？丨！丨??！，ｉ?＊ｒ：?：?；?．１?ａ?：??〇ｌ??Ｊ?Ｌ－［二一．‘丨＿＿＿??ｆ＇?Ｍ?Ａ?？?Ｊ?Ｊ?Ａ?Ｓ?０?Ｖ?Ｄ?Ｊ?０?＊?钠原１?子柱＊ｋ?１５??图卜２某地钠层柱密度全年的变化情况（平均值为３．７ｘｌ〇９／ｃｍ２）??为研宄钠层钠原子的形成机理与变化过程，人们在早期曾经使用太阳光的共??振散射进行探测，而后又使用过高空火箭直接探测。希尔多？梅曼发明激光器后??不久，英国射电和空间研究站的研究人员尝试利用共振散射研究高层大气次要成??分，并于１９６８年首先完成了以钠Ｄ线共振散射的钠层探测。初步试验证明了激??光共振散射技术应用于钠层丰度探测的可行性。自那时起经过多年的发展，积累??了大量珍贵的数据，不但完成了夜晚钠层探测实验，而且借助高功率或大能量激??光光源、高灵敏
线（对应３２Ｐｉ／２）和Ｄ２线（对应３２Ｐ３／２）。在原子核自旋的超精细磁相互??作用下，基态能级、Ｄ，线和Ｄ２线产生进一步分裂，当Ｊ＞Ｉ时，进一步分裂的能??级数为（２１＋１?），当Ｉ＞Ｊ时，进一步分裂的能级数为（２Ｊ＋１?）。因此处于基态的３２Ｓ１／２??精细能级被分裂成Ｆ＝ｌ、２两个超精细能级；处于激发态３２Ｐ１／２精细线能级被分??裂为Ｆ＇＝０、１两个能级，而３２Ｐ３／２被分裂为ｒ＝０、１、２、３四个能级。相近能级??间跃迁强度由其简并度决定，因此Ｄ２线的强度是Ｄ，线的两倍，如图１－４所示２６。??ＭＦ＇?＝?－３?－２?－１?０?１?２?３??２Ｐ３／２?／?＇?ｆ??／?、?１?——Ｉｆ－?１??／?——Ｊ?ｌ?０??Ｄ２ａ?Ｉ??、、．２Ｐｌ／２?／．?＝?５８９．１５９０８?ｎｍ?＞．〇）．?＝?５８９．１５９０５?ｎｍ??Ｄｆ?ｉ??°２ｂ??５８９．１５８３３?ｎｍ?ａ?＝?５８９．１５７０９?ｎｍ??Ｉ?ｊ??ｆ??Ｆ＿??ｔ?ｌ＿?ｔ?Ｆ；???ｉ＿ｗ?］?２??３ｓ?２Ｓｌ／２?＼?１??＇?▼＿?１??－Ｂｏｈｒ”?Ｎａ?Ｄ?Ｆｉｎｅ?Ｎａ?Ｄ２?Ｈｙｐｅｒｆｉｎｅ??Ｍｏｄｅｌ?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??图１－４钠原子Ｄ线跃迁能级图??因此，当有杲浦激光激发处于基态能级的钠原子时，钠原子将被激发到上能??级中，并不断通过从上能级向下能级跃迁的方式辐射光子，当发生从３２Ｐ３／２（Ｆ＝１、??２、３）到３２Ｓ，／２?（Ｆ＝２）能级跃迁时，产生波长为５８９．１５９１ｎｍ的Ｄ２ａ谱线荧光，??当发生从３２Ｐ３／２（Ｆ＝０、１、２）到３２
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光钠导引星技术研究进展[J]. 许祖彦,薄勇,彭钦军,张雨东,魏凯,薛随建,冯麓. 红外与激光工程. 2016(01)
[2]基于同步探测的脉冲钠导星聚焦非等晕性实验研究[J]. 陈天江,周文超,王锋,黄德权,鲁燕华,张建柱. 物理学报. 2015(13)
[3]激光导星角度与聚焦非等晕性综合分析[J]. 张建柱,张飞舟,吴毅. 强激光与粒子束. 2014(03)
[4]基于长脉冲光源的钠信标回光特性实验研究[J]. 王锋,陈天江,雒仲祥,鲁燕华,万敏,彭博,尹新启. 物理学报. 2014(01)
[5]激光钠信标荧光回波光子数的影响因素及其数值模拟[J]. 刘向远,钱仙妹,刘丹丹,黄宏华,饶瑞中. 中国激光. 2013(06)
[6]钠激光导星的饱和效应分析[J]. 王锋,叶一东,胡晓阳,雒仲祥,颜宏,何丽. 红外与激光工程. 2012(06)
[7]高分辨力哈特曼传感器的快速波面重构和拼接[J]. 颜宏,雒仲祥,叶一东,向汝建,王锋,何丽. 强激光与粒子束. 2012(06)
[8]2能级模型处理长脉冲圆偏振光与钠原子相互作用的合理性[J]. 柯磊,李有宽. 强激光与粒子束. 2009(08)
[9]人造信标波前测量[J]. 张卫,雒仲祥,向汝建. 强激光与粒子束. 2002(03)
[10]自适应光学系统对实际大气湍流波前的时域校正效果[J]. 饶长辉,姜文汉,凌宁,汤国茂,沈锋,张学军,陶慧敏. 光学学报. 2001(08)
博士论文
[1]武汉上空钠层的激光雷达观测与研究[D]. 杨国韬.中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所） 2004
本文编号：3144340
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