Optimization of cw sodium laser guide star efficiency
钠激光引导星（LGS）即将进入一个新的激光功率范围。以前的理论和数值方法是不够的精确计算的返回通量，因此，下一代LGS系统的设计。目的：数值优化连续波激光器格式，特别是光偏振和光谱。研究方法：使用布洛赫方程，我们模拟中间层钠原子，包括多普勒展宽，饱和，碰撞弛豫，拉莫尔进动，反冲，考虑到所有24个钠超精细状态和100个速度群的顺序。结果如下：LGS返回通量受到“三害”的限制：由于地磁场的拉莫尔进动，由于辐射压力的原子反冲和过渡饱和。我们研究了它们的影响，并表明返回通量可以通过再泵浦（用后者10-20%的激光功率同时激发钠D2 a和D2 b线）来提高。结论：我们强烈建议使用圆偏振激光和再泵浦。根据经验，假设衍射限制光斑尺寸，激光辐射的带宽（单位：MHz）（每条线）应近似等于发射激光功率（单位：瓦特）除以6。
2009-10-01 astro-ph.IM
Laser guide star return-flux gain from frequency chirping
光谱烧孔降低钠激光导星效率。由于光子反冲，最初与单频激光共振的原子得到多普勒频移，从而减少了返回通量。频率啁啾（也称为频率扫描）连续波激光器有可能减轻光谱烧孔的影响，甚至将激光导星效率提高到单频激光器的理论极限之外。在天空中测量的频率啁啾，单频激光导星进行的罗克德洛斯Muchachos天文台在拉帕尔马。在实验中，采用35厘米望远镜和快速光子计数接收器系统来解析激光频率扫描期间的返回通量响应，以深入了解钠层的粒子数动态。在发射激光功率为16.5W时，与固定频率激光相比，获得了22%的最大增益。我们的研究结果表明，在中间层的功率密度，即激光功率和看到啁啾增益的强烈依赖。如理论所预测的，在150 MHz量级的啁啾幅度和0.8 MHz的啁啾速率$μ$/$^{-1}$处记录最大增益。啁啾期间的时间分辨测量证实了我们对钠层中的种群动力学的理解。据我们所知，这是第一次测量返回通量增强的激光引导星激发的单频啁啾连续波激光。对于更高的激光功率，啁啾的有效性预计会增加，这对于配备有高功率激光导星自适应光学系统的望远镜以及对于使用激光导星的新兴空间意识应用（例如卫星成像和地对空光学通信）可能非常有益。
2021-12-15 astro-ph.IM physics.optics
Short term minutes-time scale temporal variation statistics of sodium layer dynamics
钠柱密度和钠层平均高度随时间的变化会使自适应光学钠激光导引星的亮度和高度发生显著变化。为了测量这些动态，独立的钠激光雷达是必要的。如果没有这样的仪器，几乎不可能从钠层动力学或激光本身的其他因素来辨别激光导星亮度变化的原因。在表征钠激光器产生钠激光导引星的性能等应用中，钠层丰度和高度的分尺度短期统计对于估计钠层变化对激光导引星亮度变化的贡献是非常有帮助的。本文分析了我们在两个冬季对钠层动力学的观测结果，给出了钠柱密度和平均高度在分钟时间尺度内的时间变化统计。
2021-07-28 astro-ph.IM physics.ao-ph
Photon return on-sky test for by-product Rayleigh plume of sodium laser guide star
钠激光导星（sLGS）自适应光学（AO）系统已成为大型地基光学/红外望远镜的重要组成部分。如果激光发射上行路径上的湍流使自适应激光制导系统的空中光斑轮廓退化，将严重影响自适应光学系统的性能，解决这一问题的一种有效方法是在激光发射到空中之前对激光进行实时预校正，以对抗这种湍流效应，尤其是在湍流较强的低空。在发射sLGS时，由大分子和气溶胶在低空产生的副产品瑞利后向散射是用于低空湍流实时检测的理想候选者。因此，重要的是评估钠激光导星的副产品是否可以实现波前传感的合适性能。在本文中，我们试图回答的问题，可实现的光子返回这样的瑞利后向散射羽。最后将现场试验结果与MSISE-90理论模型进行了比较。我们发现最大差异小于20%，这暗示了使用散焦的Rayleigh羽流作为不同湍流强度的波前传感信号的适用性。结果还表明，在强（油炸参数（r 0）为5 cm）或中等（r 0为10 cm）湍流时，距离选通的最佳中心为9 km，当子孔径为3 cm、5 cm、7 cm和10 cm时，对应的距离选通深度分别为3 km、1.1 km、0.56 km和0.28 km。最大脉冲重复频率为1500 Hz。
2021-09-18 astro-ph.IM
Characterization of the sodium layer at Cerro Pachon, and impact on laser guide star performance
详细了解钠层的介电特性对激光导引星辅助自适应光学系统的性能评估和优化是至关重要的。在本文中，我们提出了一个分析的两组数据的中间层钠层。第一组来自2001年在Cerro Tololo进行的一次激光实验，该实验在为期一年的六次运行中监测中间层钠的丰度和高度。这些数据被用来推导中间层钠柱密度，钠层厚度和钠层平均高度的时间行为。第二组数据是在Gemini MCAO系统（GeMS）调试和运行的第一年收集的。GeMS使用五个LGS来测量和补偿大气失真。对LGS波前传感器数据的分析提供了关于钠光子返回和WFS所看到的光斑伸长的信息。所有这些参数在每年、每晚和每小时的基础上都有很大的变化，影响着LGS的亮度、形状和平均高度。钠光子的返回在一年内变化三到四倍，并且可以在一夜之间变化两倍。此外，2001年获得的光子返回与十年后使用GeMS测量的光子返回的比较显示了激光格式效率的显着差异。我们发现，钠平均高度的时间功率谱遵循线性趋势，与Pfrommer & Hickson（2010）报道的结果一致。
2013-01-16 astro-ph.IM physics.ao-ph
Radial thresholding to mitigate Laser-Guide-Star aberrations on Centre-of-Gravity-based Shack-Hartmann wavefront sensors
钠激光引导星（LGS）是细长的源，由于钠层的厚度和有限的距离。钠层高度和原子密度分布的波动会引起细长光斑质心测量的误差，并在闭环自适应光学（AO）系统中产生虚假光学像差。根据维多利亚大学LGS台架演示器获得的分析模型和实验结果，这些像差（称为LGS像差）的主要来源之一不是重心（CoG）算法本身，而是在计算光斑质心之前应用于图像像素的阈值处理。这里提出了一种新的阈值方法，称为“径向阈值”，可以在不改变质心测量精度的情况下消除大部分LGS像差。
2009-06-17 astro-ph.IM
On the Feasibility of Using a Laser Guide Star Adaptive Optics System in the Daytime
我们研究使用超窄带干涉滤光片，使白天使用钠激光导星自适应光学系统。滤波器的性能进行了探讨，使用理论和供应商提供的过滤器传输配置文件，模拟日光天空背景，宽带测量白天天空亮度的莫纳克亚，并假设光子返回从钠激光引导星和读取噪声的波前传感器探测器。关键参数是滤波器的带通、带外抑制和激光引导星光波长处的峰值吞吐量。重要的是，这些参数之间的系统性贸易导致潜在的简单的解决方案，使白天的观测。最后，我们模拟了中红外自适应光学（MIRAO）系统计划为三十米望远镜与端到端的模拟，折叠在白天的天空计数。我们发现，MIRAO与五个钠激光导星，商业现成的过滤器，以抑制天空背景的激光导星波前传感器，和近红外自然导星（$K \le 13$）的倾斜/倾斜/聚焦波前传感器可以达到白天Strehl比值相比，在夜间。
2018-09-14 astro-ph.IM
Optical design of the laser launch telescope via physical optics theorem for Laser Guide Star Facility
激光导星装置（LGSF）是大型地基望远镜自适应光学系统的重要组成部分，其目标是在钠层产生多颗激光导星。LGSF系统采用激光发射望远镜将高斯光束以较小的光束尺寸投射到钠层上来实现这一要求。由于激光远距离传输的衍射和干涉效应，传统的基于几何光学机理的光学设计无法实现预期的激光传输。本文提出了一种基于物理光学原理的激光发射望远镜光学系统设计方法，以在大气钠层产生可接受的光斑。此外，基于物理光学传播的公差分析方法也被证明是必要的，以优化系统的仪器性能。数值计算结果表明，考虑物理光学传输的光学设计在许多场合，特别是激光传输系统中是非常有价值的，甚至是必要的。
2021-02-18 astro-ph.IM physics.optics
Prototype of a laser guide star wavefront sensor for the Extremely Large Telescope
新型的大型望远镜，作为未来的ELT，被设计成与激光引导星（LGS）一起工作，激光引导星被调谐到大气钠原子的共振。由于主要与LGS的有限距离、发射角、尖端倾斜不确定性和聚焦非等晕性有关的许多原因，这种波前感测技术对于应用于大型望远镜提出了复杂的问题。在MAORY的相位研究开始时，LGS波前传感器（WFS）的实验室原型的实施，ELT第一光的多共轭自适应光学RelaY，对于研究LGS WFS问题的具体缓解策略是必不可少的。本文给出了LGS WFS样机在不同工况下的试验结果。在Shack-Hartmann（SH）WFS上生成的LGS图像的准确度已与MAORY模拟代码进行了交叉检查。实验研究了噪声对质心定位精度的影响、LGS图像截断对波前传感精度的影响以及钠浓度分布和LGS图像欠采样的时间演化规律。
2018-04-19 astro-ph.IM
Laser Guide Stars for Extremely Large Telescopes: Efficient Shack-Hartmann Wavefront Sensor Design using Weighted center-of-gravity algorithm
在过去几年中，人们越来越多地考虑研究激光引导星（LGS），以测量从地面进行光学和近红外天文观测时由大气引入的扰动。产生LGS的一种可能方法是在大约90公里高度的高层大气中激发钠层。由于钠层大约有10公里厚，所以人造参考源看起来很长，特别是从大孔径的边缘观察时。光斑伸长严重限制了最常见的波前传感器的性能。例如，Shack-Hartmann波前传感器中的质心精度与伸长成比例地降低（在光子噪声主导的状态中）。为了补偿这种效应，一个简单的解决方案是增加激光功率，即增加每个子孔径检测到的光子的数量。在本文中提出的工作范围是双重的：分析的加权重心算法的性能与细长的斑点和所需的光子数的测定，以达到一定的平均波前误差超过望远镜孔径。
2009-03-24 astro-ph.IM
Laser Tomography Adaptive Optics (LTAO): A performance study
我们提出了一个解析推导的轴上性能的自适应光学系统使用给定数量的任意高度的引导星，分布在任意角度的位置在天空中。给出了连续和离散湍流大气廓线情况下的残差表达式。假设Shack-Hartmann波前传感与圆孔，我们证明了正式描述的误差的三个贝塞尔函数的产品的积分。我们比较了使用天然、钠或瑞利激光导星时自适应光学校正的性能。对于小直径类望远镜（~ 5米），我们表明，几个瑞利信标可以提供类似的性能，一个单一的钠激光器，仪器的整体成本较低。对于更大的孔径，使用瑞利星可能不是这样一个合适的选择，因为太严重的锥效应，大大降低了校正的质量。
2013-10-28 astro-ph.IM
Towards Laser-Guide-Stars for Multi-Aperture Interferometry: an application to the Hypertelescope
光学干涉测量法已经成功地在明亮的恒星上实现了毫角秒的分辨率。成像性能可以通过增加基线的数量来大大提高，这促使人们提出了建造大型（~ 100米）光学干涉仪的建议，其中包括数十至数百个望远镜。自适应校正大气湍流以获得天体物理源的直接相位图像也是期望的。当一个自然的引导星是不可用的，我们调查的可行性，使用修改后的激光引导星技术，是适合于大稀释孔径。该方法包括使用子孔径在钠层中创建人造恒星阵列，并使用相同的子孔径收集后向散射光。我们提出了一些数值和实验室模拟，量化的要求和灵敏度的技术。
2014-01-31 astro-ph.IM
Suppresion of Self-Phase Modulation in a Laser Transfer System using Optical Fiber on the Subaru Telescope
我们正在为夏威夷莫纳克亚山的斯巴鲁望远镜开发激光导星自适应光学（LGS/AO 188）系统。该系统采用全固态锁模和频产生（SFG）激光器（1.7-GHz带宽，0.7-ns脉冲宽度）作为光源和用于光束传输的单模光纤的组合。然而，光纤引入非线性效应，特别是自相位调制（SPM）。我们研究了光子晶体光纤（PCF）中的SPM。SPM使激光束的光谱变宽，降低了亮激光导星的产生效率。我们使用频谱分析仪测量了频谱宽度。我们发现在半高宽（FWHM）的频谱宽度为8.4 GHz。我们的激光光谱的原始FWHM是1.4 GHz。这相当于损失了70%的激光能量。我们还测量了钠电池的亮度，并评估了其性能作为激光波长的函数。细胞的亮度显示出一种特殊的趋势;具体地说，即使波长变化超过5 pm，它也不会熄灭。为了减少SPM的影响，我们开发了一种光学系统，将一个激光脉冲分成四个低功率脉冲。通过新光学系统后的激光峰值功率降低到原来的四分之一，减少了SPM对钠电池的影响。新系统产生的实际激光引导星比原始系统产生的激光引导星亮0.41等。我们通过分割激光脉冲以降低其峰值强度来实现更明亮的激光引导星的产生。这是光纤激光中继的一种有效方法。
2012-02-27 astro-ph.IM
Metasurface-based Toroidal Lenslet Array Design for Addressing Laser Guide Star Elongation
针对巨型麦哲伦望远镜激光导星拉长问题，提出基于纳米工程超光学元件的超透镜阵列设计，实现空间变化的变形图像比例压缩，在8mm焦距下提供约100%图像缩减，有效改善波前传感信息采样。
2024-04-29 astro-ph.IM physics.optics
Laser-guide-stars used for cophasing broad capture ranges
分段主镜对于控制空间分辨率的稳定增加是必不可少的。相位光学系统必须减少段错位，以保证天文科学计划所需的高光学质量。现代望远镜通常使用自适应光学系统来补偿大气，并使用激光导星来制造人造恒星作为观测领域的明亮参考。由于多个激光导星自适应光学正在实施的所有主要天文台，我们建议使用人造星不仅自适应光学，但相位光学。我们提出了一种称为双波长相干技术（DWCT）的方法，利用钠的D线在中间层使用激光导星。然后使用信号相干特性。DWCT的捕获范围超过目前能力的100倍。它通过将相位光学捕获范围从微米级提高到毫米级来代表范例的变化。因此，它潜在地消除了对人工机械预定相步骤的需要。超大型望远镜需要数百个片段，其中一些需要每天更换以重新涂覆。DWCT放宽了机械集成要求，加快了集成和再集成过程。
2016-07-28 astro-ph.IM
Multi-Conjugate Adaptive Optics Simulator for the Thirty Meter Telescope: Design, Implementation, and Results
介绍了一种多共轭自适应光学（MCAO）系统模拟平台HeNOS（Herzberg NFIRAOS Optical Simulator）。开发HeNOS是为了验证30米望远镜MCAO系统的性能，以及展示未来AO发展的关键技术。在本文中，我们专注于描述的30米望远镜AO系统的规模下降到一个实验台的参数的推导，并解释这些参数是如何实际实施的光具座。在参考其他论文了解使用HeNOS的AO技术开发的详细信息时，我们介绍了HeNOS的功能，特别是HeNOS目前提供的三种不同的单共轭AO模式：具有Shack-Hartmann波前传感器的激光引导星AO，具有金字塔波前传感器的自然引导星AO，以及激光引导星AO，其在Shack-Hartmann上具有通过在自然引导星上的真值波前感测校正的钠斑伸长。激光断层扫描AO和最终MCAO正在准备在不久的将来实施。
2018-09-14 astro-ph.IM
Monte-Carlo modelling of multi-object adaptive optics performance on the European Extremely Large Telescope
宽视场自适应光学系统的性能取决于输入设计参数。在这里，我们调查的多对象自适应光学系统设计的欧洲极大望远镜的性能，使用端到端的蒙特卡罗自适应光学仿真工具，DASP，与建议的仪器，如MOSAIC的相关性。我们考虑的参数，如激光导星的数量，钠层深度，波前传感器像素尺度，致动器间距和自然导星的可用性。我们提供了可以节省成本的潜在领域，并调查性能和成本之间的权衡，并提供解决方案，使这种仪器能够用目前可用的技术来建造。我们的主要建议包括：对于每像素约0.7弧秒的激光引导星波前传感器像素尺度和至少7弧秒的视场的权衡，即使需要降低帧速率，也应该将EMCCD技术用于自然引导星波前传感器，并且可以通过稍微减少自然引导星子孔径数来改善天空覆盖，而不会显著影响层析成像性能。我们发现，自适应光学校正可以保持在一个广泛的视野，直径高达7弧分。我们还建议使用至少4颗激光引导星，并包括地面层和多目标自适应光学性能评估。
2016-09-08 astro-ph.IM
HARMONI at ELT: designing a laser guide star wavefront sensors for the ELT
HARMONI是ELT的第一台可见光和近红外积分场光谱仪，覆盖了450 nm至2450 nm的大光谱范围，分辨率为3500至18000，空间采样为60 mas至4 mas。它可以在两种自适应光学模式（SCAO和LTAO）下工作，也可以不使用AO。该项目正在为最终设计审查做准备。激光断层AO（LTAO）系统通过两个系统提供了具有非常高天空覆盖率的AO校正：激光引导星敏感器（LGSS）和自然引导星敏感器（NGSS）。LGSS专门用于分析ELT产生的6颗激光引导星的波前。它由6个独立的波前传感器（WFS）模块组成，安装在直径为600 mm的旋转器上，以将瞳孔稳定在探测器前面的微透镜阵列上。光学设计接受长达16弧秒的细长光斑，使用SONY的CMOS探测器无截断。我们将介绍基于自由曲面透镜的LGSS的最终光学和机械设计，以最大限度地减少光学元件的数量，并适应钠层配置的多样性。我们将专注于旋转器的设计，说明我们将如何在限制性环境中以90”的精度移动1吨。最后，我们将提出在HARMONI环境中验证系统的策略。验证的主要挑战是如何在不访问ELT的一部分可变形镜的情况下测试AO系统。
2022-07-18 astro-ph.IM
A Precise Photometric Ratio via Laser Excitation of the Sodium Layer I: One-photon Excitation Using 342.78 nm Light
使用Ia型超新星测量暗能量的最大不确定性目前是由于光度学的系统性;特别是光度学作为光谱中波长的函数的相对不确定性。我们表明，在即将到来的调查（如在LSST在维拉C。鲁宾天文台）通过一个位于山顶的激光源调谐到342.78 nm的真空激发波长的中性钠原子。使用从激光导星研究中改进的高功率（500 W）激光，这种激发将在中间层中产生一个去激发光的人造星（我们称之为“激光光度比星”，或LPRS），从地面可以观察到大约20星等（即，完全在LSST的预期单图像幅度限制内），真空中的波长为589.16 nm、589.76 nm、818.55 nm和819.70 nm，该过程产生的589.16 nm和589.76 nm光子数量之和等于818.55 nm和819.70 nm光子数量之和，建立例如LSST r和z滤波器之间的精确校准比率。因此，这种技术可以提供一种新的机制，建立一个前所未有的精度，从上面的大部分地球的大气，即将到来的天文学和大气物理望远镜观测分光光度计校准比。本文是关于此主题的两篇文章中的第一篇。这对文章的第二篇文章描述了一种替代技术，通过使用两个位于山顶的激光器，在距离真空中波长分别为589.16 nm和819.71 nm的谐振约4 GHz的光频率下，实现与本文所述技术相似但更亮的LPRS。
2022-03-15 astro-ph.CO astro-ph.IM
Slow focus sensor for the Keck I laser guide star adaptive optics system using focal plane wavefront sensing
Aix-Marseille Univ, CNRS, CNES, LAM（艾克斯-马赛大学）；Macquarie University（麦考瑞大学）；Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto（波尔图大学工程学院）；Center for Astrophysics and Gravitation, Instituto Superior Técnico（天体物理学与引力中心，里斯本高等理工学院）；W.M. Keck Observatory（W.M.凯克天文台）；DOTA, ONERA, Université Paris Saclay（ONERA DOTA实验室，巴黎萨克雷大学）；Space ODT
本文提出了一种用于凯克I望远镜的慢聚焦传感器技术，通过三种FPWFS算法对比，最终选择GS算法在高湍流条件下有效补偿聚焦误差，提升天空覆盖范围。
2026-02-17 astro-ph.IM
Expected performance of the Pyramid wavefront sensor with a laser guide star for 40 m class telescopes
本文研究了40米望远镜使用激光导星时Pyramid波前传感器的性能，提出新的离散化与光传播方法，发现由于扩展激光源尺寸导致灵敏度显著下降，不建议此类传感器与激光导星配合使用。
2024-03-15 astro-ph.IM
Rotational and rotational-vibrational Raman spectroscopy of air to characterize astronomical spectrographs
拉曼散射使超大望远镜的激光导星系统有了意想不到的用途。在这里，我们提出的观察一个上行链路钠激光束获得的ESTERO光谱仪在分辨率$λ/Δλ\sim 140'000$。在900 s的源上，我们检测到的纯旋转拉曼线的$^{16}$ O $_2$，$^{14}$ N $_2$，和$^{14}$ N $^{15}$ N（暂定）旋转量子数$J$分别为27，24和9。我们检测到$^{16}$ O $_2$精细结构线诱导的电子自旋\textbf{S}和端对端旋转角动量\textbf{N}在电子基态的这个分子的$N=9$的相互作用。相同的光谱还揭示了$^{16}$ O $_2$和$^{14}$ N $_2$的$ν_{1\leftarrow0}$旋转-振动Q分支。这些观测结果表明，使用激光导星系统作为精确的校准源，用于表征新的天文摄谱仪的潜力。
2019-07-12 astro-ph.IM physics.ao-ph physics.ins-det
Detection and Implications of Laser-Induced Raman Scattering at Astronomical Observatories
（缩写）天文观测站使用的激光引导星提供人工波前参考源，以帮助校正（部分）大气湍流对天体物理观测的影响。在最近调试的4激光导星设施（4LGSF）UT 4在VLT，我们表征的光谱特征的上行链路光束从22 W激光器，以评估激光散射的影响，从4LGSF的科学观测。我们使用MUSE光学积分场光谱仪在4750 nm到9350 nm的波长范围内获得分辨率为R~3000的上行激光束的光谱。我们报告的激光诱导拉曼散射的N2，O2，CO2，H2O和（暂定）CH 4分子在大气中的天文观测台的Cerro Paranal的第一个检测。特别是，我们的观测揭示了激光光子的特征光谱特征-但比原始激光波长5889.959 nm红480 nm至2210 nm-在到达钠层的途中被拉曼散射后降落在UT 4的8.2 m主镜上。激光诱导拉曼散射并不是帕拉纳尔山天文台所独有的，而是任何使用激光导星（LGS）系统的天文望远镜所共有的。因此，对于任何耦合到LGS系统的光谱仪来说，通过适当的仪器挡板和适当的校准程序来彻底处理拉曼光谱污染的可能性是至关重要的。这些考虑特别适用于即将到来的极大望远镜上的HARMONI光谱仪。在拥有多台望远镜的地点，激光碰撞预测工具还应该考虑上行激光束的拉曼发射，以避免无意中污染LGS系统附近望远镜获得的观测结果。
2019-01-16 astro-ph.IM physics.ao-ph
