基于1.2m望远镜自适应光学系统激光信标转盘式机械快门的研究*

周 钰，熊耀恒，何少辉

(中国科学院国家天文台云南天文台，云南 昆明 650011)

自适应光学技术通过实时探测并校正动态波前误差，克服了大气扰动的影响，使得光学望远镜恢复了其理想的分辨率(即衍射极限)。然而，随着自适应光学的发展，信标问题变得尤为突出，它严重限制了使用自然导星的自适应光学望远镜在可见光波段的天空覆盖率。为了解决信标问题，Foy和Labeyrie提出了激光导引星(LGS)的概念，同时也称为人造信标。目前激光导引星有两类，一类是发射589 nm激光聚焦在80～90 km高度的高空钠层产生的后向共振散射信标，称为钠导星，另一类是10～20 km高度的平流层大气分子对信标激光的瑞利散射，称为瑞利导星[1]。

近年来，国内外研究工作者在激光信标理论和技术方面都开展了各项研究。理论方面主要针对非等晕性误差进行研究，包括聚焦非等晕性误差、倾斜角度非等晕性误差等问题[2-4]。然而，在工程实现方面则相对比较复杂，自适应光学系统采用不同的布局方法会出现相应不同系列的问题。采用激光信标后，通常有同轴和离轴两种工作方式。根据云南天文台1.2 m望远镜筒轴两侧设备配备的情况，比较适合采用共孔径发射信标激光方式。但是，激光信标的共孔径发射接收光路中存在着一个严重的问题，即当发射高功率激光脉冲时的杂散光和近程高度附近的后向散射光都会使得自适应光学系统中的波前探测器产生信号饱和，从而接收不到信标回波的有用信号。尽管采用了时间选通技术来抑制噪声，但是暴露在外的光敏面还会受到影响，情况严重时还会造成探测器损坏或者缩短其寿命，因此如何解决杂散光的影响是共光路系统必须解决的关键问题。作者参考其它一些机械快门资料[5]设计了一种适合于激光信标发射接收共光路使用的新型转盘式机械快门装置，把机械快门装置放置在波前探测器前面，从而起到彻底保护作用。

1 设计原理

由于所设计的转盘式机械快门是针对基于适合激光信标的装置，而信标技术波前探测采样频率应满足上千赫兹，因此机械快门首先必须具备高重复频率这一特点。其次，机械快门装置的开关门时序需要与脉冲激光器的发射时序、探测器探测时间进行时序同步。

1.1 采样厚度

激光信标的原理是从地基发射一束激光，聚焦在高度为z处，经过一定△t2的时间延时后，波前探测器开门，用时间选通的方法选出高度z附近的一段光束作为激光信标，接收返回的后向散射信号，经过延时△t2后(时间延时大小与采样厚度△z有关)探测器关门。因此，为了提高波前探测精度和估计机械快门开关的时间，首先应考虑信标的采样厚度。信标采样厚度公式如下[6]：

(1)

(2)

式中Dp为发射系统的直径；z为信标高度；r0为大气相干长度；M是表征激光束质量的质量因子。

根据分子散射定律，适合瑞利散射导引星的波长应该较短。因此，选择当信标高度为15 km，激光波长分别为308 nm、353 nm、354.7 nm、510.6 nm、532 nm，激光束质量M=2、4、6，r0为11 cm情况下，计算出采样的信标厚度一般在1.5～2.8 km。

1.2 设计原理图

新型转盘式机械快门装置总体安装还是采用1.2 m激光测距单片旋转式圆盘快门安装方法。由于激光信标在大气中聚焦的高度变化动态非常小，它不同于激光测距时所探测的空间轨道目标的高度变化范围非常大，因此在一定程度上减小了设计的复杂性。新设计的转盘式机械快门是采用两片圆盘进行组合，其目的是通过对两圆盘的相对角度进行前后调整，最后可将光电二极管和激光发射控制系统的电路延迟抵消。

图1 转盘快门示意图

图1为转盘快门示意图，Ⅰ为旋转快门圆盘，Ⅱ为光电检测圆盘。如图所示，所设计的转盘式机械快门是采用两个半径大小不同的Ⅰ圆盘和Ⅱ圆盘组合进行同轴安装，两个圆盘相互旋转调整后进行固定并一同旋转。图中Ⅰ所示，快门结构中A为方凹槽，用于起始对称定位；B和D为挡光齿，用于保护探测器免受杂散光的损害；C为圆弧长孔；E为凹槽，用于探测器开门接收回波。Ⅱ盘的F孔主要有两个功能，第一，它和I盘的B齿具有相对角度位置，起到定位作用；第二，它为光电二极对管提供检测作用。F孔数与Ⅰ中的D齿数是相同的，孔径大小与所选光电二极管的外形有关。考虑到环境杂散可见光对光电二极管的干扰，采用红外主动式光电二极对管，并安装在组合盘的两侧，其安装位置在离轴心为R的圆周上(图中1，2，3，4所示位置上)。但是为了安装的简便以及有统一的水平标高，最好安装在1和3的位置上。

1.3 工作原理

开启直流高速电机专用控制器，电机加速旋转，最后平稳在设置的转速时将光电二极对管检测电路接通，对Ⅱ盘中的F孔进行检测，适当调节Ⅰ盘和Ⅱ盘的相互角度，将光电二极管和激光发射控制系统的电路延迟抵消。当检测到光电信号后，通过电路的放大、整形和推动送给激光控制电源控制激光发射，此时探测器刚好被I盘中的D齿遮挡住，经过△t1时间后机械开门，光束入射到圆盘上的凹槽E，光通过进入波前探测器曝光，△t2时间采样工作后快门关门。在下一个机械快门同步基准信号到来时，输出新的脉冲激光。

根据设计要求，必须在快门完全处于关断状态时发射激光，经过一段时延后，快门完全打开。因此，如图1，设计挡光区的扇形夹角为φ1，通光区的扇形夹角为φ2。

转盘的参数计算公式为：快门重复频率f=N×ω；快门周期T的大小T=1/f；完全开门时间大小△t2=φ2/2(πω)。

结合前面计算瑞利导星的采样厚度，设计一个重复频率约为1 000 Hz的转盘式机械快门装置，开门时间为10 μs(采样高度为15 km，采样厚度3 km)。当设置电机转速为62.5转/秒时，快门周期T为1 000 μs，则确定的转盘开孔数N≈16。

2 时序控制

所设计的装置是适用于高重复频率的转盘式机械快门，因此需要对同步时序进行控制。机械快门开关门时序须要与脉冲激光器的发射时序、波前探测器曝光时间时序同步。同步控制系统的原理如图2。

图2 同步控制系统原理图

图3 同步时序控制图

用机械快门同步基准信号触发激光器发射脉冲激光束，主波信号被PIN探测到，信号经过放大整形后形成触发脉冲，产生一个TTL逻辑脉冲电信号触发DG535延时器。通过调整输出的门信号的延迟时间，保证波前探测器开门接收一定高度返回的后向散射信号，并通过脉宽发生器对延迟信号进行调整以设定探测器关门时间。

图3为机械快门的开关与脉冲激光发射，信号接收同步时序图。用机械快门同步基准周期信号的上升沿为基准触发脉冲激光，在时间间隔△t1内机械开关关门，圆盘齿对波前探测器进行挡光(挡光区的扇形夹角为φ1)，△t1时间后机械开关开门，在机械开光的开门周期内接收信号(通光区的扇形夹角为φ2)。此时经过时间延时器的设定在机械开门周期内使波前探测器开门，进一步控制探测器的曝光时间。重复以上步骤，使得机械快门、脉冲激光器和波前探测器进行同步连续工作。

3 结 论

所设计的转盘式机械快门中的圆盘是通过螺母固定的，其圆盘上的开孔数和开槽数也可以通过转盘快门工作时所需的重复频率和电机的转速简单的反推出得到，因此可以很便捷地设计以及更换适应不同导星的旋转圆盘，为不同类型的激光信标收发共光路实现起到了重要作用。本文只是在理论上对设备进行分析设计，希望以后能够在系统上配置设备获得详细数据进一步验证其可行性。

[1] 周仁忠，阎吉祥.自适应光学原理[M].北京：北京理工大学，1996.

[2] 沈锋，姜文汉.激光导引星大气湍流波前非等晕性误差的像差模式分解[J].光学学报，2003，23(3):348-355.

Shen Feng,Jiang Wenhan.Modal Decomposition of Anisoplanatic Error of Atmospheric Turbulence for a Laser Guide Star[J].Acta Optica Sinica,2003,23(3):348-355.

[3] 周钰，熊耀恒.1.2m望远镜自适应光学系统中激光导引星聚焦非等晕性[J].强激光与粒子束，2008,20(4):529-532.

Zhou Yu,Xiong Yaoheng.Focus Anisoplanatism for 1.2 m Telescope Laser Guide Stars in Adaptive Optics System[J].High Power Laser and Particle Beams,2008,20(4):529-532.

[4] Fried D J,Belsner J F.Analysis of Fundamental Limits to Artifical-guide-star Adaptive-optics-system Performance for Astronomical Imaging[J].J Opt Soc Am A,1994,11(1):277-287.

[5] 李新阳，王春鸿，鲜浩，等.一种转盘式机械快门同步时序控制方法及其应用：中国，03149543.5[P].2005-01-26.

[6] 宋正方，范承玉，魏合理.瑞利信标自适应光学系统的波长选择与信标亮度[J].强激光技术进展，1996(6):23-28.