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激光钠信标数值模拟研究

作　者: 柯磊
导　师: 李有宽
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 光学
关键词: 中间层钠信标返回光子数跃迁饱和长脉冲圆偏振大气湍流
分类号: O436
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着自适应光学的发展,当观察目标附近没有足够亮度的自然信标存在的时候,以激发中间层钠原子来提供系统所需的人造波前参考的方法已经成为主流。其基本原理是利用与钠D₂线共振的激光与中间层钠相互作用,将基态原子抽运到激发态,激发态原子放射衰减形成发光的信标来替代自然星。本文首先细致考虑长脉冲圆偏振光与钠原子的相互作用,用24能级布洛赫方程求解入射激光与中间层后射光子数的函数关系。用传输程序将地面激光经过大气湍流传输到中间层,通过相互作用方程和向下传输的解析模型实现对望远镜上的返回光子数的数值模拟。本文主要工作如下:1.借鉴前人经验,建立一种利用中间层钠信标得到望远镜上返回光子数的数值方法。我们用波动光学多相屏大气传输程序得到中间层的瞬时光斑（具有空间分布）,利用激光与钠原子的相互作用得出在中间层的后射光子数分布,利用一个解析的方式处理向下传输得到望远镜上的返回光子数。2.通过求解圆偏振情形的24能级布洛赫方程证明对于长脉冲圆偏振激光与中间层钠原子的相互作用,在长脉冲的作用时间内激发态原子通过转移最终只在3S_1/2（2,2）到3P_3/2（3,3）之间进行抽运并且激发态达到稳态。进一步对比研究3S_1/2（2,2）和3P_3/2（3,3）能级的2能级模型,我们发现在稳态后的结果上,两种方法近乎一致。3.通过求解长脉冲线偏振情形的24能级布洛赫方程,发现与圆偏振不同,长脉冲线偏振用合并的三能级模型才可以较好的符合实验数据。我们对长脉冲圆偏振和线偏振光在中间层钠的吸收截面以及平均发射功率和中间层后射光子数关系曲线进行了对比,说明圆偏振能够带来更多后射光子数的原因。4.对于长脉冲圆偏振情形进行深入分析,研究其吸收截面,以及激光参数,比如脉冲时间,脉冲重复率,脉冲平均功率与望远镜上的返回光子数之间的关系。最后我们提出了一种脉冲长度在10μs,平均发射功率为4 W,脉冲重复率为4 kHz优化发射的方案。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
第一章序言  7-17
  1.1 自适应光学钠信标简介  7-11
  1.2 以钠信标为基础的自适应光学系统的理论发展和仿真模拟  11-16
  1.3 本文的主要工作  16-17
第二章理论分析  17-26
  2.1 激光在大气中向上传输的理论模型和程序  17-19
  2.2 24能级布洛赫方程处理激光与中间层钠的相互作用  19-26
第三章数值模拟  26-55
  3.1 长脉冲圆偏振情形的二能级模型合理性研究  26-36
  3.2 长脉冲圆偏振情形有效激发钠信标的数值分析  36-44
  3.3 长脉冲线偏振情形有效激发钠信标的数值分析  44-51
  3.4 短脉冲圆偏振情形有效激发钠信标的数值计算方法  51-55
第四章总结  55-57
  4.1 论文的相关结论  55-56
  4.2 论文中存在的问题  56
  4.3 下一步工作的展望  56-57
参考文献  57-60
个人简历  60-61
致谢  61

激光钠信标数值模拟研究

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