激光输出模式对钠激光导星回波效率的影响的仿真研究

Sodium laser guide star is one of the key components of laser guide star adaptive optics system. The study of this technology could be divided into two parts: 1. study on the technology of laser itself, 2. study of the impact on photon return of laser output format (spectrum, output power, pulse format, etc.). Our study will be focused on the latter perspective.In this study, we are going to use time domain Monte Carlo method, and create our numerical model based on rate equation of the sodium atoms. In our model, we will includes simulation of: 21 lines of the sodium hyper-fine structure, precess from geomegnetic field, radiation pressure, spin exchange from oxygen/nitrogen atoms, and new sodium laser technology like D2b repumping and chirping for pulse laser etc.. Later, based on our field test measurements we will adjust our model and make more precise and reliable.

钠激光导星是激光导星自适应光学系统的关键技术之一。该技术的研究可以分为两个方面:针对激光器技术本身的研究;针对激光输出特性与所得人工信标亮度的关系进行优化的研究。由于大口径望远镜（如我国参与的三十米级望远镜）自适应光学系统要求导星亮度高，光斑质量高。钠导星新技术研发成本高，周期长。所以需要在实际激光器研发前对钠激光器生成导星性能进行量化预估。本研究的研究内容即针对该问题，利用大气钠原子模型，研究不同激光输出特性对所得光子数量的影响，寻求优化的激光输出制式，为后续自适应光学系统设计提供参考。本研究拟在时域采用蒙特卡洛方法，基于速率方程建立钠原子与激光光场相互作用的数值模型。仿真钠原子21条谱线与光场的作用，地磁场造成的钠原子进动，光场引起的辐射压，由与氧/氮原子碰撞引起的自旋交换，以及其他激光器新技术（如二次泵浦，啁啾等）等内容，并通过实地测量数据对模型进行进一步的修正。

项目主要的目标是要建立一套激光导星生成的物理过程的数值仿真方法及相应的软件使其能够较为准确地预测、评估钠导星激光器在激光导星生成方面的性能。为了实现这一目标，项目通过同时开展外场实验并建立理论模型两方面来开展。外场实验解决如何精确测得钠导星激光器生成钠导星的绝对性能，并为理论模型提供数据依据；理论模型解决钠导星生成过程的数值模拟。. 截至到项目结题，项目的计划内容基本完成，一套可以较为准确地预测脉冲钠激光器生成激光导星性能的数值仿真程序已经完成，可模拟钠原子在不同导星激光辐射场中的跃迁过程、激光器时频域特性、偏振特性、地理位置、发射角度、大气钠层特性、大气其他大分子等一系列会对导星生成性能产生影响的物理描述。. 同时在项目执行期间（2014-2016年），本课题负责人组织并主持了3次10-30W级钠导星激光器导星定标外场实验，逐渐发展了一套可以对钠激光导星进行准确定标的外场实测方法。利用实测结果不断完善理论模型。当前理论模型的预估结果与外场实测定标结果误差在+-12%以内，达到国际上同类商业仿真模型的预测精度。当前的模型已被应用于新一代百瓦级钠激光导星激光器设计当中。. 文章共发表7篇，国际会议邀请报告2次。