望远镜不仅是人类探索宇宙奥秘的重要科学工具,也是监测地球轨道、预警飞行器碰撞的守望者。但是大气湍流导致的波前畸变会导致大型地基望远镜的实际分辨率大幅下降,因此世界各大望远镜正竞相发展基于钠导星的自适应光学（AO）技术,以校正大气湍流导致的波前畸变。钠导星作为AO系统的信标源,其亮度是决定AO系统波前探测精度和响应速度的关键因素。尽管当前的钠导星亮度仍然限制着AO系统性能,科学家们已经开始研究下一代AO系统,并对导星亮度提出了更高要求。本文根据钠导星激光技术的最新进展,从利用钠原子集群自旋极化和钠原子高能级两方面重点探索提高钠导星亮度的方法,并评估钠导星亮度提升潜力。1.提升钠导星亮度,需要深入理解在钠层的特殊环境下光与原子相互作用物理机理。本文引入“集群”的概念描述钠原子在态空间和速度空间的运动特性。推导了包含电偶极跃迁、电子磁矩与磁场的耦合、自旋交换碰撞、自发辐射、运动弛豫、光子反冲和速度交换碰撞的Bloch方程。在处理速度交换碰撞的过程中使用了更加符合实际的碰撞函数。根据Bloch方程建立了可以并行计算的数值模型,尤其适合求解钠原子集群在态空间和速度空间的时间演化过程。2.双频再泵浦既是防止下泵浦效应的有效方法,也是维持钠原子自旋极化的重要条件。开展了基于单频连续波激光器在钠池中的共振散射实验,测量了最佳再泵浦频移为1712 MHz,最佳再泵浦比例为14%,说明(3S1/2,F=1)→(3P3/2,F’=2)跃迁是把钠原子从(3S1/2,F=1)态抽运到(3S1/2,F=2)态的高效通道;实验结果与欧洲南方天文台的理论预测和星火光学靶场的实地测试数据相吻合,证明基于钠池的实验有重要参考价值;通过分析自旋弛豫速率和泵浦强度对再泵浦效果的影响,合理地解释了不同文献再泵浦效果不一致的原因;在此基础上提出了一种利用再泵浦远程测量大气自旋弛豫速率的新方法。3.综合考虑钠原子在态空间和速度空间的分布是优化激光参数的关键。分析了圆偏振光学泵浦动力学过程,演示了拉莫尔进动同步光学泵浦;一方面,提高泵浦强度能有效提高原子极化速度和极化率,另一方面,光子反冲和饱和效应会分别从速度空间和态空间降低较高泵浦强度时钠原子的激发效率,所以需要综合考虑以上因素来优化激光参数。鉴于钠导星的多普勒展宽为1 GHz,远远大于钠原子的10 MHz自然线宽,功率小于50 W的连续波和长脉冲激光器还不能使多普勒宽度范围内的原子都达到最佳泵浦强度,所以在优化光谱的前提下进一步提升激光功率仍然能有效提升导星亮度。4.把钠原子激发到比3P3/2更高的能级,有望提高钠原子利用效率和导星亮度。本文详细论证通过3S1/2→3P3/2→3D5/2闭环级联跃迁产生589 nm+819 nm双色钠导星的可行性。使用589 nm+819 nm两台单频激光器开展了级联双共振散射实验:测量了级联共振中心波长和吸收光谱、589 nm和819 nm相对荧光亮度,为双色钠导星对光源的频率稳定性、光谱和泵浦强度的要求提供参考;建立了基于Bloch方程的双色钠导星数值模型,计算了用平均功率为20 W的长脉冲激光器激发的回波光子,计算结果显示:与589 nm钠导星相比,双波长钠导星对589 nm回波光子的影响几乎可以忽略,同时有望在819 nm额外获得40%的近红外回波光子,从而有效提高钠导星亮度;如果激光的平均功率都达到100 W,仅819 nm波长就有望得到8-17×106 ph/s/m2的回波光子,对应7.5-6.5等星。589 nm+819 nm双色钠导星不仅有望提高钠导星亮度,也是最具现实意义的近红外导星方案。