基于波長330 nm激光激發(fā)多色激光導(dǎo)星回波光子數(shù)的數(shù)值計(jì)算與探討?

劉向遠(yuǎn) 錢仙妹 朱文越 劉丹丹 范傳宇 周軍 楊歡

1)(中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國科學(xué)院大氣光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031)

2)(皖西學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院,原子、分子與應(yīng)用光學(xué)研究中心,六安 237012)

1 引 言

采用波長589 nm的激光激發(fā)大氣中間層的鈉原子用于自適應(yīng)光學(xué)波前校正,獲得了高分辨率成像,解決了高階波前校正所需信標(biāo)導(dǎo)星的全天空覆蓋問題.但是,關(guān)于自適應(yīng)光學(xué)成像的全傾斜校正,人們往往選擇一定亮度的自然星來提供全傾斜信息[1].這種方法雖然在等暈區(qū)內(nèi)所需要的自然星亮度不高,一定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)全傾斜探測,但是不能夠?qū)崿F(xiàn)全天空覆蓋.因此,Foy等[2]提出了多色激光導(dǎo)星的概念,起初的設(shè)想是采用589 nm和569 nm的激光聯(lián)合激發(fā)大氣中間層的鈉原子,產(chǎn)生級聯(lián)輻射,獲得多種波長的光子,用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)全傾斜波前探測.然而,進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究表明這種方法獲得的330 nm的回波光子數(shù)僅僅為589 nm回波光子數(shù)的1/100,如果要獲得足夠的回波光子數(shù),則要求激光能量較高,并且569 nm激光器只能采用染料激光器[3,4],因此,這種方法激發(fā)多色激光導(dǎo)星并不理想.為此,Pique等[5]提出采用單一波長330 nm的激光激發(fā)大氣中間層鈉原子的理論,經(jīng)過理論分析認(rèn)為330 nm波長激光激發(fā)多色激光導(dǎo)星有很多優(yōu)點(diǎn),例如所需的激光能量相對很低;330 nm的激光容易通過固體激光器實(shí)現(xiàn);激光的發(fā)射系統(tǒng)能夠得到簡化等等.但是,Pique等的分析沒有考慮激光大氣傳輸?shù)膶?shí)際情況,本文在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上,選擇較高激發(fā)態(tài)概率的激光帶寬,考慮了高斯光束激光大氣傳輸受到大氣的吸收、散射和大氣湍流的影響,計(jì)算了多色激光導(dǎo)星的回波光子數(shù),探討了脈沖激光重頻率、激光發(fā)射初始光斑直徑以及大氣透過率對多色導(dǎo)星回波光子數(shù)的影響.以此為多色激光導(dǎo)星的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究提供有益的參考.

2 理論模型

330 nm激光與鈉原子作用,能夠?qū)⑩c原子由基態(tài)3S1/2激發(fā)到4P3/2的激發(fā)態(tài).處于激發(fā)態(tài)的鈉原子能夠產(chǎn)生級聯(lián)輻射,獲得波長為330 nm,2207 nm,1140 nm,1138 nm,589 nm和589.6 nm的回波光子.波長為330 nm和2207 nm的回波光子常常用于全傾斜波前探測.激光與鈉原子作用激發(fā)和衰減的過程如圖1所示.

圖1 330 nm激光與鈉原子作用的激發(fā)和衰減過程Fig.1.Process of excitation and decay for interaction between laser at 330 nm and sodium atoms.

圖1中虛線向上的箭頭表示鈉原子受到激發(fā)向高能級躍遷,實(shí)線箭頭表示激發(fā)態(tài)鈉原子向低能級躍遷,1,2,3,4,5表示鈉原子精細(xì)結(jié)構(gòu)的對應(yīng)能級,數(shù)字表示激發(fā)或衰減對應(yīng)的波長.圖1描述的激光與鈉原子作用過程可以用速率方程表示[5]:

在方程(1)—(5)中,n1(t),n2(t),n3(t),n4(t),n5(t)分別表示鈉原子處于1—5個(gè)能級的鈉原子數(shù),它們都是隨時(shí)間t變化的變量;τ2-1,τ3-1,τ4-2,τ5-1,τ5-4,τ4-3,τ4-2分別表示處于不同激發(fā)態(tài)鈉原子的壽命;σ1→5表示鈉原子的峰值吸收截面;g1,g2分別表示第1能級和第5能級的簡并度;I表示總的激光光強(qiáng);hv1-5表示330 nm光子的能量;σ(ν′?ν),g(ν)分別表示鈉原子均勻吸收截面和激光的線型;ν′和ν為多普勒頻移.鈉原子的均勻吸收截面線型為

(6)式中,?ν是鈉原子均勻吸收截面的半峰值全寬.?ν=1/(2πτ),根據(jù)Chatellus等[6]的理論分析,得到τ表示第i能級激發(fā)態(tài)的級聯(lián)i輻射壽命.設(shè)置激光的線型為高斯線型.

(7)式中,?νL為激光的半峰值全寬.激光與鈉原子的作用,除了考慮以上因素,還要考慮大氣中間層鈉原子處于熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的麥克斯韋速率分布,不同速率群的鈉原子數(shù)可以表示為

(8)式中,N0表示激光照射范圍內(nèi)總的鈉原子數(shù),?νD是鈉原子分布的半峰值全寬,根據(jù)Milonni等[7]的理論,能夠計(jì)算其中,λ是發(fā)射激光的波長,k是玻爾茲曼常量,T′是大氣中間層鈉層的溫度,m為鈉原子質(zhì)量.

3 數(shù)值計(jì)算方法與參數(shù)

3.1 數(shù)值計(jì)算方法

當(dāng)激光與大氣中間層鈉原子作用,處于激發(fā)態(tài)的鈉原子會(huì)向基態(tài)躍遷,輻射出光子,形成多色激光導(dǎo)星.對于脈沖激光,假設(shè)脈沖間歇期足夠大,在足夠長的時(shí)間內(nèi)被激發(fā)的鈉原子全部衰減,則單一脈沖激光激發(fā)鈉層中鈉原子單位立體角輻射的光子數(shù)可以表示為

其中,CNa為鈉層中鈉原子的柱密度,p為鈉原子的激發(fā)態(tài)概率,S為激光照射鈉層的面積.根據(jù)(9)式,則單位時(shí)間內(nèi)單位面積接收面上獲得的多色激光導(dǎo)星回波光子數(shù)為

上式中,T0為垂直地面方向大氣透過率,θ為天頂角,L為地面到大氣中間層鈉層中心的垂直高度,f為脈沖激光的重頻率.為了便于數(shù)值計(jì)算,將上式寫成數(shù)值形式.

其中,?Si表示激光照射得很小的面積,pi表示?Si內(nèi)鈉原子的激發(fā)態(tài)概率.

對于連續(xù)激光,激光激發(fā)鈉原子達(dá)到穩(wěn)態(tài),激發(fā)態(tài)概率達(dá)到穩(wěn)定值,則單位時(shí)間內(nèi)單位面積接收面上獲得的多色激光導(dǎo)星回波光子數(shù)為

其中,τ′是鈉原子激發(fā)態(tài)的輻射壽命.

根據(jù)(11)和(12)式計(jì)算多色激光導(dǎo)星的回波光子數(shù),需要知道鈉原子的激發(fā)態(tài)概率pi.如果考慮激光大氣傳輸受大氣湍流的影響,還要模擬激光傳輸?shù)酱髿庵虚g層光強(qiáng)的隨機(jī)分布.

由麥克斯韋電磁場理論,將大氣的折射率表示為n=1+n1(n1表示折射率的漲落)能夠得到光傳播的亥姆霍茲方程[8],

在旁軸近似的情況下,假設(shè)光場E=ueik1z,Z為激光傳輸?shù)穆窂?u表示光場的振幅,k1表示波數(shù),忽略后向散射,波動(dòng)方程(13)可做拋物線近似:

這里采用多相位屏法[9?11]求解方程(14),能夠得到激光傳輸?shù)酱髿庵虚g層光場的隨機(jī)分布.

當(dāng)激光在大氣中傳輸時(shí),由于大氣分子的吸收和散射會(huì)導(dǎo)致激光能量的衰減.對于紫外光的大氣傳輸,要考慮多種大氣分子的散射和吸收作用以及氣溶膠的影響,特別是大氣對短波長激光的散射[12,13].在不考慮大氣輻射的情況下,光傳輸?shù)拇髿馔高^率計(jì)算式為

其中,ρ為光傳輸路徑上大氣的密度,λ是指光波長,L′為光的傳輸路徑,k′(λ,l)為消光截面,k′(λ,l) 描述了吸收和散射兩種獨(dú)立的物理過程對光傳輸輻射強(qiáng)度的影響.目前,關(guān)于大氣透過率計(jì)算的軟件有多種,使用Modtran5可以快速計(jì)算任意兩點(diǎn)間大氣光譜透射率[14].

3.2 計(jì)算參數(shù)

330 nm激光激發(fā)多色激光導(dǎo)星回波光子數(shù)的計(jì)算涉及到激光的大氣傳輸、鈉原子本身的特性、鈉層的柱密度、激光的能量、重頻率和帶寬等參數(shù),如表1所列.

表1 多色激光導(dǎo)星數(shù)值計(jì)算的參數(shù)Table 1.Parameters of polychromatic laser guide stars in the numerical calculation.

表1中,鈉原子均勻吸收截面σ1→5和激光的波長λ參照了Pique等[5]和Moldovan[15]的研究結(jié)果,這里采用了Moldovan的計(jì)算數(shù)據(jù).激光采用無偏振等勻激光,對于脈沖激光和連續(xù)激光都采用無模激光器[16],脈沖激光的時(shí)間線形為方波形狀,初始激光能量分布為高斯光束.激光的發(fā)射方式為準(zhǔn)直發(fā)射[17].另外,在模擬激光大氣傳輸光強(qiáng)分布時(shí),用到了Greenwood大氣湍流模式[18],此時(shí)大氣相干長度為12.8 cm(對于波長500 nm).參考Pique等[5]的研究結(jié)果,這里激光到達(dá)大氣中間層的能量設(shè)定為1 W.

4 鈉原子激發(fā)態(tài)概率的計(jì)算

4.1 脈沖激光與鈉原子的作用

為了得到不同能級的鈉原子數(shù),這里將方程(1)—(5)簡化為矩陣微分方程

這里,

aij是方程(1)—(5)中n1(t),n2(t),n3(t),n4(t),n5(t)前對應(yīng)的系數(shù).其中,ξ由(6)和(7)式積分得到,

考慮使用Matlab求解矩陣微分方程(16)比較簡便,結(jié)合方程(6)—(8)以及初始條件n(0)=能夠獲得不同時(shí)刻處于1—5能級上的鈉原子數(shù),再對所有速率群積分,然后得到鈉原子的激發(fā)態(tài)概率

脈沖激光的單一脈沖功率很大,為了了解不同帶寬脈沖激光激發(fā)鈉原子激發(fā)態(tài)概率的變化,這里選擇帶寬0.4,0.6,1,2 GHz激光與鈉原子作用.計(jì)算得到這四種帶寬激光激發(fā)鈉原子概率的曲線如圖2所示.

圖2 (a)四種帶寬激光激發(fā)鈉原子概率的曲線;(b)1 GHz帶寬激光激發(fā)鈉原子概率的擬合Fig.2.(a)Probability curves of excited sodium atoms for four linewidth laser;(b) fi tted curve of excited probability for laser with 1.0 GHz linewidth.

由圖2(a)可知,2 GHz帶寬的激光激發(fā)鈉原子的激發(fā)態(tài)概率小于1 GHz的激光.0.4,0.6,1 GHz的激光相比較,在激光光強(qiáng)6000 W/m2以下,0.4,0.6 GHz的激光激發(fā)鈉原子激發(fā)態(tài)概率略高于1 GHz的激光.原因在于激光激發(fā)鈉原子的激發(fā)態(tài)概率與激光能量密度隨帶寬的分布有關(guān)[19].當(dāng)激光光強(qiáng)小于6000 W/m2時(shí),對于窄帶寬的激光,能量集中在一定的帶寬范圍內(nèi),能夠獲得較高的激發(fā)態(tài)概率.當(dāng)激光光強(qiáng)大于6000 W/m2時(shí),1 GHz帶寬的激光激發(fā)鈉原子的激發(fā)態(tài)概率較高.考慮50 ns寬度的激光,到達(dá)大氣中間層的平均功率為1 W,單個(gè)脈沖的發(fā)射功率能夠達(dá)到數(shù)千瓦以上,發(fā)射高斯光束激光的光強(qiáng)在大氣中間層能夠達(dá)到6000 W/m2以上并且所占的權(quán)重較大.因此,對于50 ns寬度的脈沖激光,選擇1 GHz的激光與鈉原子作用較好.

圖2(b)中,使用1 GHz激光與鈉原子作用的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合,得到鈉原子激發(fā)態(tài)概率與光強(qiáng)變化的非線性關(guān)系.

4.2 連續(xù)激光與鈉原子作用

連續(xù)激光與鈉原子的作用,在很短的時(shí)間內(nèi),鈉原子的激發(fā)態(tài)概率會(huì)達(dá)到穩(wěn)定.取激光帶寬0.6 GHz,通過求解方程(1)—(8)以及方程(16),得到鈉原子激發(fā)態(tài)概率隨時(shí)間演化的曲線,如圖3所示,其中,I表示總的激光光強(qiáng).

圖3 激發(fā)鈉原子的激發(fā)態(tài)概率隨時(shí)間的演化Fig.3.The temporal evolutionary curves of excited probability for sodium atoms.

由圖3可知,連續(xù)激光與鈉原子作用在0.8μs之后,隨著時(shí)間的增加激發(fā)態(tài)概率趨于穩(wěn)定,又由于連續(xù)激光的功率很低,發(fā)射高斯光束的激光到達(dá)大氣中間層平均功率為1 W時(shí),光強(qiáng)分布的峰值一般不超過300 W/m2,因此,選擇0—300 W/m2光強(qiáng)下1μs時(shí)間內(nèi)計(jì)算鈉原子的激發(fā)態(tài)概率,如圖4所示.

由圖4的計(jì)算結(jié)果可知,0.6 GHz帶寬的激光激發(fā)鈉原子的激發(fā)態(tài)概率較高,這時(shí)激光能量相對激光帶寬分布能夠獲得較高的激發(fā)態(tài)概率.經(jīng)過數(shù)值擬合,得到0.6 GHz帶寬激光激發(fā)鈉原子的激發(fā)態(tài)概率與光強(qiáng)呈線性關(guān)系.

圖4 四種帶寬的激光激發(fā)鈉原子的激發(fā)態(tài)概率Fig.4.The excited probability of sodium atoms for laser with four linewidths.

5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)和以上計(jì)算結(jié)果,采用脈沖激光與鈉層中的鈉原子作用,激光的帶寬為1 GHz.選擇激光到達(dá)鈉層的能量為1 W,則發(fā)射單個(gè)脈沖激光的能量為:因?yàn)榧す鈧鬏數(shù)酱髿庵虚g層的光強(qiáng)分布受大氣湍流影響,而鈉原子的激發(fā)態(tài)的概率又與不同空間位置光強(qiáng)的大小有關(guān),因此,考慮Greenwood大氣湍流模式,大氣相干長度為12.8 cm(對于波長500 nm),在求解方程(14)的基礎(chǔ)上,模擬激光光強(qiáng)在大氣中間層的分布.選擇模擬參數(shù),網(wǎng)格數(shù)256×256,網(wǎng)格邊長為0.008 m.考慮大氣湍流的變化,模擬了100次不同的光強(qiáng)分布.然后,根據(jù)(11)和(17)式計(jì)算多色激光導(dǎo)星回波光子數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差.考慮圖1中,鈉原子第5能級的激發(fā)態(tài)壽命,鈉原子4P3/2→3S1/2和4P3/2→4S1/2的輻射壽命分別為320 ns和160 ns,則鈉原子4P3/2→3S1/2的輻射速率是鈉原子4P3/2→4S1/2輻射速率的0.5倍.

對于連續(xù)激光,當(dāng)激光的發(fā)射能量為4.88 W以及大氣透過率為0.205時(shí),到達(dá)大氣中間層的激光能量約為1 W.選擇激光帶寬為0.6 GHz,采用與脈沖激光相同的數(shù)值計(jì)算方法,應(yīng)用(12)和(18)式計(jì)算多色激光導(dǎo)星回波光子數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差.考慮圖1中鈉原子4P3/2→3S1/2和4P3/2→4S1/2的輻射壽命,計(jì)算330 nm和2207 nm的光子數(shù)時(shí),分別取τ′=320 ns和160 ns.為了便于比較,脈沖激光和連續(xù)激光激發(fā)多色激光導(dǎo)星回波光子數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差列表在表2中.

由表2的計(jì)算結(jié)果能夠看出,當(dāng)?shù)竭_(dá)大氣中間層激光能量為1 W時(shí),連續(xù)激光激發(fā)多色激光導(dǎo)星的回波光子數(shù)比脈沖激光激發(fā)的要多47%,原因在于連續(xù)激光的光強(qiáng)與鈉原子激發(fā)態(tài)概率之間是線性關(guān)系,不會(huì)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象;而脈沖激光光強(qiáng)很大,脈沖激光的光強(qiáng)與鈉原子的激發(fā)態(tài)概率間是非線性關(guān)系,在激光光強(qiáng)很大的情況下產(chǎn)生飽和現(xiàn)象.

表2 脈沖激光和連續(xù)激光激發(fā)多色激光導(dǎo)星回波光子數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 2.The return photons and standard deviations of polychromatic laser guide star for the pulse laser and the continuous wave laser with 330 nm wavelength.

6 討 論

6.1 脈沖激光的重頻率對回波光子數(shù)的影響

脈沖激光的頻率越高,則單個(gè)脈沖的能量就越少.為了了解激光的重頻率對多色激光導(dǎo)星回波光子數(shù)的影響,取激光帶寬1 GHz,在Greenwood大氣湍流模式下,根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)和(11)式,計(jì)算了5—100 kHz重頻率的激光激發(fā)多色激光導(dǎo)星獲得330 nm回波光子數(shù)的平均值Φ330,如圖5所示.

圖5 重頻率對激光激發(fā)多色激光導(dǎo)星回波光子數(shù)的影響Fig.5.In fl uence of repetition on the return photons of polychromatic laser guide star.

圖5的計(jì)算結(jié)果表明,提高脈沖激光的重頻率能夠增加回波光子數(shù),但是,當(dāng)重頻率高于50 kHz時(shí),回波光子數(shù)增加的幅度趨于有限值.例如100 kHz重頻率時(shí)的回波光子數(shù)僅僅是50 kHz重頻率時(shí)的1.03倍.原因在于對于激光到達(dá)中間層的能量為1 W的情況,盡管激光的重頻率增加了,但是每個(gè)脈沖的功率減小,導(dǎo)致鈉原子的激發(fā)態(tài)概率總體減小了.

6.2 激光初始光斑直徑對回波光子數(shù)的影響

激光發(fā)射初始光斑直徑(這里指的是光腰)的變化會(huì)導(dǎo)致激光在大氣中間層的光強(qiáng)分布隨之改變,根據(jù)表1中的數(shù)據(jù),選擇脈沖激光帶寬1 GHz,連續(xù)激光的帶寬0.6 GHz,假設(shè)發(fā)射口徑大于激光光斑的初始直徑,計(jì)算了連續(xù)激光和脈沖激光激發(fā)多色激光導(dǎo)星330 nm回波光子數(shù)Φ330隨激光發(fā)射初始直徑的變化,如圖6所示.

圖6 激光初始光斑直徑對330 nm回波光子數(shù)的影響Fig.6.In fl uence of laser start diameters on the return photons at 330 nm from polychromatic laser guide stars.

由圖6可以看出,相同激光初始光斑直徑的情況下,連續(xù)激光激發(fā)的回波光子數(shù)要比脈沖激光多,當(dāng)發(fā)射初始光斑直徑為5 cm時(shí),最少增加量約為30%.總體上看,連續(xù)激光激發(fā)的回波光子數(shù)不會(huì)隨激光初始直徑而變化;脈沖激光激發(fā)的回波光子數(shù)隨激光初始光斑直徑變化呈現(xiàn)拋物線變化.在激光發(fā)射初始光斑直徑為20 cm時(shí)獲得的回波光子數(shù)很少,而在激光發(fā)射初始光斑直徑為5 cm和60 cm時(shí)回波光子數(shù)較多.這是由于大氣湍流和光束衍射的共同作用,5 cm和60 cm的激光發(fā)射初始光斑直徑導(dǎo)致激光在大氣中間層光斑較大[20],光強(qiáng)峰值較低,降低了激光激發(fā)鈉原子的飽和程度.

6.3 大氣透過率對回波光子數(shù)的影響

由于大氣對紫外波長激光的散射,造成激光光強(qiáng)和330 nm回波光子數(shù)嚴(yán)重衰減.以上多色激光導(dǎo)星回波光子數(shù)計(jì)算過程中,應(yīng)用Modtran5計(jì)算了大氣透過率T0,選擇中緯度地區(qū)冬季大氣模式,能見度為15 km、無云無雨、鄉(xiāng)村氣溶膠模式的大氣透過率,臭氧的垂直柱密度為8.06911 gm/m2,水汽的垂直柱密度為0.85171 gm/m2.為了了解大能見度對大氣透過率的影響,表3中列出了能見度與330 nm和2207 nm激光大氣透過率的對應(yīng)數(shù)據(jù),根據(jù)表1中數(shù)據(jù)和(11)式,計(jì)算了脈沖激光激發(fā)多色激光導(dǎo)星330 nm的回波光子數(shù)Φ330.

由表3的數(shù)據(jù)可以看出,大氣能見度對330 nm激光大氣透過率有明顯的影響,而對2207 nm大氣透過率影響很小.在能見度為10 km的情況下,330 nm激光大氣透過率僅為0.148,回波光子數(shù)為3.642×103ph/m2/s,此時(shí)的回波光子數(shù)不能滿足波前探測的要求[21,22].根據(jù)方程(11)和(17)計(jì)算,如果增加脈沖激光發(fā)射的能量為7.725 W,才能夠得到4.2×103ph/m2/s的330 nm回波光子數(shù),即使用自然星全傾斜探測所需回波光子數(shù).能見度為5 km時(shí),激光發(fā)射能量為34.1 W才能滿足此回波光子數(shù)的要求.因此,對于脈沖激光,在能見度低于5 km的情況下,要獲得4.2×103ph/m2/s的330 nm回波光子數(shù),大約需要34 W以上的激光發(fā)射能量,并且要求無云無雨的天氣.

表3 能見度與330 nm和2207 nm激光大氣透過率以及330 nm的回波光子數(shù)Table 3.The atmospheric transmittance of laser with 330 nm and 2207 nm wavelength,the atmospheric visibility and the return photons at 330 nm.

對于連續(xù)激光,在能見度為10 km的情況下,根據(jù)方程(12)和(18)計(jì)算,得到330 nm回波光子數(shù)為7.13×103ph/m2/s,對應(yīng)的激光發(fā)射能量約為6.76 W.在能見度為5 km的情況下,計(jì)算得到330 nm回波光子數(shù)為3.18×103ph/m2/s.如果需要獲得4.2×103ph/m2/s的330 nm回波光子數(shù),大約需要20 W以上的激光發(fā)射能量.

7 結(jié) 論

基于330 nm激光與鈉原子作用的速率方程,計(jì)算了脈寬50 ns的脈沖激光和連續(xù)激光激發(fā)鈉原子的激發(fā)態(tài)概率以及多色激光導(dǎo)星330 nm和2207 nm的回波光子數(shù).探討了脈沖激光的重頻率、激光初始光斑直徑(光腰)以及大氣透過率對多色激光導(dǎo)星回波光子數(shù)的影響.根據(jù)以上分析,得到以下結(jié)論.

1)脈沖激光和連續(xù)激光激發(fā)鈉原子的激發(fā)態(tài)概率與激光帶寬有關(guān).對于50 ns的脈沖激光,選擇1 GHz的激光帶寬激發(fā)鈉原子的激發(fā)態(tài)概率較高;對于連續(xù)激光,選擇0.6 GHz的激光帶寬激發(fā)鈉原子的激發(fā)態(tài)概率較高.

2)到達(dá)大氣中間層的激光能量為1 W時(shí),選擇較高激發(fā)態(tài)概率的激光帶寬,采用連續(xù)激光激發(fā)多色激光導(dǎo)星獲得的330 nm回波光子數(shù)要比脈沖激光激發(fā)的回波光子數(shù)多30%以上,并且連續(xù)激光激發(fā)多色激光導(dǎo)星的回波光子數(shù)幾乎無起伏.

3)脈沖激光的重頻率和初始光斑直徑能夠影響多色激光導(dǎo)星的回波光子數(shù).多色激光導(dǎo)星的330 nm回波光子數(shù)隨激光重頻率增加而增加,但是脈沖重頻率增加到50×103Hz以上時(shí),回波光子數(shù)增加的幅度有限.在Greenwood大氣湍流模式下,脈沖激光激發(fā)的回波光子數(shù)隨初始光斑直徑變化呈現(xiàn)拋物線變化.

4)大氣透過率是影響330 nm激光大氣傳輸能量衰減和多色激光導(dǎo)星330 nm回波光子數(shù)的重要因素.考慮Greenwood大氣湍流模式,在能見度小于5 km且無云無雨的條件下,若要獲得滿足自然星全傾斜探測的回波光子數(shù),脈沖激光的發(fā)射能量需要34 W以上,連續(xù)激光的發(fā)射能量大約需要20 W以上.

產(chǎn)生的原因可以歸結(jié)為:一方面與激光大氣傳輸過程中大氣吸收、散射和大氣湍流以及激光與鈉原子作用的物理機(jī)制有關(guān);另一方面與激光在大氣中間層的光強(qiáng)分布以及光強(qiáng)較大造成的飽和程度有關(guān).

總之,采用330 nm激光激發(fā)多色激光導(dǎo)星,要考慮多種因素的影響,特別是大氣透過率的影響.連續(xù)激光與脈沖激光相比較,連續(xù)激光比脈沖激光有更多的優(yōu)點(diǎn).

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