激光导星 Laser guide stars

2023-02-22 09:48:43 浏览:27

定义

天空中的小亮点,由激光束产生,用于具有自适应光学成像的天文学。

现代天文望远镜的质量和尺寸得到了极大的提高;许多天文台都使用镜面直径几米、表面质量非常高的望远镜。 这些望远镜中最好和最大的望远镜的图像分辨率已经不再受到光学本身的限制,而是受到大气扭曲的限制:来自天体的光可以在太空中传播很远的距离而不会产生明显的扭曲,但是与地球大气湍流相关的温度和压力变化会导致显着的扭曲, 即使在天空晴朗的山上的有利位置。

解决这个问题的一个直接方法是使用天基望远镜。 然而,这些望远镜不能像地面望远镜那么大,并且建造、发射、操作和维护非常昂贵。 因此,越来越多地采用大气校正的替代解决方案,这使得可以强烈减少地球望远镜大气变形的影响:大气引起的波前畸变通过自适应光学器件进行补偿,例如基于具有许多自由度的可变形镜。 这样的系统显然需要关于当前大气扭曲的确切信息。 这些可以通过分析远处点状物体(如恒星(称为导星))的波前来测量,因为如果没有失真,这种光基本上将具有平面波前。

为了进行精确的波前校正,导星必须(在方向上)靠近被研究的物体,并且必须足够亮。 然而,不幸的是,人们并不总是能找到合适的自然向导星。 在这种情况下,通过将强烈的激光束照射到大气中而暂时产生的人造导星(或激光信标)可以取代天然恒星。 然后一些激光返回望远镜,并可以使用Shack-Hartmann波前传感器进行分析。 改进的方案甚至可以使用多个激光导星。

人造导星的位置可能会有些漂移,但这可以通过例如将其与天然恒星的位置进行比较来纠正,天然恒星不必特别亮。

激光导星的类型

激光导星 Laser guide stars

图1:位于拉帕尔马罗克·德·洛斯·穆查乔斯天文台的威廉·赫歇尔望远镜,带有用于瑞利激光导星的绿色激光束。

激光导星的两种主要类型是钠信标和瑞利信标。 钠导星的原理是将激光辐射的波长调整为589.2nm处钠原子的共振。 这导致天然存在于大约90公里高度的中间层中的钠原子吸收激光,随后发出相同波长的荧光。 这种方法有一个很好的特点,即基本上只能从狭窄的高海拔范围内获得荧光。 它的缺点是所需的橙色/黄色激光源的功率为10 W甚至50 W,线宽小,不容易构建,因此价格昂贵。 钠信标的可用技术选项包括

  • 基于块状晶体的拉曼激光器,泵浦倍频调Q钕基固态激光器
  • 1178 nm 拉曼光纤激光器(或拉曼 MOPA),用掺镱光纤激光器泵浦,随后倍频,例如在周期性极化 KTP 中
  • 基于两个激光源(连续波或脉冲)的总和频率混合的光源,例如在 1064 和 1319 nm 处,或在 938 和 1583 nm 处
  • 脉冲染料激光器,可制成“无模式激光器”(超发光源),用于有效激发具有不同纵向速度的钠离子[6]。

相比之下,瑞利导星是基于瑞利在低层大气中的散射。 为了仅使用来自大气较高部分(大约30公里高度)的散射光,人们使用脉冲激光和波前传感器中的时间门控检测。 由于瑞利信标不是基于窄带共振, 选择的波长并不重要, 除了它应该很短,因为瑞利散射在短波长下最有效. 常见的选择是绿色激光源,例如倍频固态激光器,但也可以使用铜蒸气激光器(→气体激光器)或准分子激光器。 这种激光源可以比钠导星的激光源复杂,同时更强大,但背散射光的较低高度会影响波前校正的质量。

在许多情况下,激光导星源发射纳秒脉冲,而不是连续发射。 脉冲格式简化了激光源中的非线性频率转换,并使时间门控检测成为可能。

使用或开发中的激光导引星系统

尽管已经展示了许多不同的激光信标激光源,但到目前为止,只有少数天文台似乎使用激光导星:加州大学的利克天文台,加州理工学院的帕洛玛天文台和夏威夷的凯克天文台,都使用钠信标。 还有位于加那利群岛拉帕尔马的艾萨克牛顿集团的威廉赫歇尔望远镜,使用瑞利导星。 其他几个大型天文台目前正在开发各种类型的激光导星和自适应光学系统。 例如ESO的甚大望远镜,双子座北和亚利桑那州的多镜天文台(MMTO)。

参考文献

[1] L. A. Thompson and C. S. Gardner, “Experiments on laser guide stars at Mauna Kea Observatory for adaptive imaging in astronomy”, Nature 328, 229 (1987), doi:10.1038/328229a0
[2] B. M. Welsh and C. S. Gardner, “Nonlinear resonant absorption effects on the design of resonance fluorescence lidars and laser guide stars”, Appl. Opt. 28 (19), 4141 (1989), doi:10.1364/AO.28.004141
[3] M. P. Jelonek et al., “Characterization of artificial guide stars generated in the mesospheric sodium layer with a sum-frequency laser”, J. Opt. Soc. Am. A 11 (2), 806 (1994), doi:10.1364/JOSAA.11.000806
[4] K. Avicola et al., “Sodium-layer laser-guide-star experimental results”, J. Opt. Soc. Am. A 11 (2), 825 (1994), doi:10.1364/JOSAA.11.000825
[5] C. E. Max et al., “Design, layout, and early results of a feasibility experiment for sodium-layer laser-guide-star adaptive optics”, J. Opt. Soc. Am. A 11 (2), 813 (1994), doi:10.1364/JOSAA.11.000813
[6] J.-P. Pique and S. Farinotti, “Efficient modeless laser for a mesospheric sodium laser guide star”, J. Opt. Soc. Am. B 20 (10), 2093 (2003), doi:10.1364/JOSAB.20.002093
[7] J. C. Bienfang et al., “20 W of continuous-wave sodium D2 resonance radiation from sum-frequency generation with injection-locked lasers”, Opt. Lett. 28 (22), 2219 (2003) doi:10.1364/OL.28.002219
[8] F. Marc et al., “Effects of laser beam propagation and saturation on the spatial shape of sodium laser guide stars”, Opt. Express 17 (7), 4920 (2009), doi:10.1364/OE.17.004920
[9] T. J. Kane et al., “Laser remote magnetometry using mesospheric sodium”, J. Geophys. Res.: Space Physics 123 (8), 6171 (2018), doi:10.1029/2018JA025178
[10] Y. Lu et al., “208 W all-solid-state sodium guide star laser operated at modulated-longitudinal mode”, Opt. Express 27 (15), 20282 (2019), doi:10.1364/OE.27.020282
[11] X. Yang et al., “Diamond sodium guide star laser”, Opt. Lett. 45 (7), 1898 (2020), doi:10.1364/OL.387879
[12] P. Ma et al., “Kilowatt-level ytterbium-Raman fiber amplifier with a narrow-linewidth and near-diffraction-limited beam quality”, Opt. Lett. 45 (7), 1974 (2020), doi:10.1364/OL.387151
[13] H.-Y. Li et al., “Numerical study on the influence of the linewidth of a QCW pulsed sodium laser on the brightness of a guide star”, Opt. Express 29 (24), 40397 (2021), doi:10.1364/OE.443293
[14] Keck Observatory in Hawaii, http://www.keckobservatory.org/
[15] Lick Observatory of the University of California, http://mthamilton.ucolick.org/
[16] Palomar Observatory of Caltech, http://www.astro.caltech.edu/palomar/
[17] Isaac Newton Group of Telescopes of La Palma, http://www.ing.iac.es/

方法

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