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雷射导引星

雷射引导星是一种人造的恒星影像，用于大型天文望远镜的调适光学系统，以校正大气扰动造成的失真（称为视宁度）。调适光学（AO）系统需要一个称为导引星的波阵面参考光源。为此，天然恒星可以作为点源，但并非天空的所有部分都有足够明亮的恒星，这极大地限制了自然导星进行调适光学上的使用性。取而代之的是，人们可以通过将雷射照射到大气层中来制造人造导引星。光束发出的光被高层大气中的成分反射回望远镜。这颗恒星可以定位在望远镜想要指向的任何地方，为调适光学开辟了更大的适用空间。

位于帕拉纳天文台的强大雷射导引星系统。.
实际的雷射导引星是雷射束视端上方的小点：赤经18h 36m 44s，赤纬29.98°。

因为雷射束在上升过程中已受到视宁度偏转，所以返回的雷射不会像天文光源那样在天空中移动。为了保持天文影像的稳定，必须监测天空中附近的一颗天然恒星，以便使用尖端倾斜镜减去雷射导引星的运动。然而，这颗恒星可能比调视光学系统需要的自然导引星暗得多，因为它只用于量测尖端和倾斜，所有高阶畸变都是用雷射导引星量测的。这意味著更多的恒星是合适的，相应地，更大比例的天空是可以引入的。

类型

 
调适光学设施的第一架22瓦TOPTICA（英语：TOPTICA）钠雷射器[1]。
 
VLT四雷射导星设施的发射望远镜之一[2]。

雷射导引星系统主要有两种类型，即钠和瑞利信标导星。钠信标是通过使用调谐到589.2纳米的雷射来为散逸层的钠层中的原子提供能量而创建的，该原子位于大约90 km（56 mi）的高度。钠原子随后重新发射雷射，产生一颗发光的人造恒星。钠的原子跃迁与用于街灯的钠蒸气灯相同。

瑞利信标依赖于低层大气中分子对光的散射。与钠信标相比，瑞利信标更简单、成本更低，但由于瑞利信标在大气中的生成要低得多，因此不能提供良好的波阵面参考。雷射通常是脉冲式的，对大气的量测是时间门控的（在脉冲发射几微秒后进行，因此忽略了地面的散射光，实际上只检测到在大气层中高达几微秒并返回的光）。.

雷射发展

 
凯克天文台投射到夜空中的钠雷射，创造出钠信标导引假星。

染料雷射器是雷射导引星应用中使用的第一批雷射源[3][4][5][6]。这些可调谐雷射器在这一领域继续发挥著重要作用[7][8]。然而，一些研究人员认为使用增液介质是不利的。[9]。用于钠导引星应用的第二代雷射源包括和频混合固态雷射器[10]。自2005年以来，基于可调谐二极体雷射器的新的第三代雷射系统一直在开发中，随后进行窄带拉曼光纤放大和共振频率转换。自2014年以来，完全工程化的系统已投入商业使用[11]。这里提到的可调谐雷射器（英语：Tunable laser）的重要输出特征包括绕射限制的光束发散和窄线宽发射[6]。

进展

人造参考星示例。

用于调适光学以校正大气畸变的钠雷射导引星被认为是由普林斯顿大学物理学家威廉·哈珀（英语：Will Happer）于1982年发明的，作为战略防御计画的一部分，但当时它是机密[12]。

雷射导引星调适光学仍然是一个非常年轻的领域，现时在技术开发方面投入了大量精力。截至2006年，只有两个雷射导引星AO系统经常用于科学观测，并为同行评审编辑的科学文献中发表的结果做出了贡献：位于加利福尼亚州的利克天文台和帕洛玛山天文台，以及夏威夷的凯克天文台。然而，大多数主要望远镜都在开发雷射导引星系统，其中威廉·赫歇耳望远镜、甚大望远镜]和北双子天文台已经在天空中测试了雷射，但尚未实现正常运行。截至2006年，开发雷射AO系统的其它天文台包括大双筒望远镜和加那利大型望远镜。甚大望远镜的雷射导引星系统于2007年6月开始常规使行[13]。

自2016年4月以来[14]，4雷射导引星设施（4LGSF）已安装在欧洲南方天文台的甚大望远镜（VLT）上[15]，作为调适光学设施（AOF）的一个新子系统[16]。4LGSF是VLT雷射导引星设施（LGSF）的扩充。4LGSF不是一束雷射束，而是将四束雷射束传播到智利北部帕拉纳尔的天空中，通过照射位于90公里高空的大气中的钠原子产生四颗人造恒星。这四颗恒星能够在特定方向上获得更好的校正，或者通过调适光学系统扩大校正的视野。每架雷射器的直径为30 cm（12英寸），功率为22瓦。4LGSF雷射系统基于ESO开发并转移到工业领域的光纤拉曼雷射技术[17][18]。

为了支持帕拉纳天文台的新仪器，有必要陞级到四台采用光纤拉曼雷射技术的雷射器[15]，像霍克-I（与格拉尔）[19]和MUSE（与GALACSI合作）[20]。与现时仍在使用其原始染料雷射器（计画被光纤雷射器取代）的LGSF相比，4LGSF的稳定性也得到了提高，预防性维护支持的数量和观测运行时间的准备将大大减少。

4LGSF帮助天文学家测试E-ELT的设备[21]，其将具有类似的系统来支持望远镜的调适光学器件。

鉴于其力量，4LGSF的行动遵循一项协定，以避免任何风险。雷射系统配备有自动飞机规避系统，如果飞机过于靠近光束，该系统会关闭雷射。

对于钠雷射导引星，有三个主要挑战需要克服：拉莫尔进动、反冲和跃迁饱和[22]。拉莫尔进动是钠原子在地磁场中的进动（确切地说，它是原子的量子化总原子角动量向量的进动），在通过圆偏振光的光泵浦建立二能级回圈跃迁之前，通过改变原子的角动量来降低雷射导引星的原子萤光。自发辐射的反冲导致原子的动量冲击，导致雷射相对于原子发生红移，使原子无法吸收雷射，从而无法发出萤光。跃迁饱和是指原子从较高角动量（F=2）的状态减少到较低角动量（F=1）的状态，从而导致不同的吸收波长[22]。

参考资料

  1. ^ Powerful New Laser Passes Key Test. ESO. [2 April 2014]. 
  2. ^ VLT's New Laser Launchers Arrive at ESO. ESO Announcement. [22 February 2012]. 
  3. ^ Everett, Patrick N. 300-Watt dye laser for field experimental site. Proceedings of the International Conference on Lasers '88. 1989: 404–9. Bibcode:1989lase.conf..404E. OCLC 20243203. OSTI 5416850. 
  4. ^ Primmerman, Charles A.; Murphy, Daniel V.; Page, Daniel A.; Zollars, Byron G.; Barclay, Herbert T. Compensation of atmospheric optical distortion using a synthetic beacon. Nature. 1991, 353 (6340): 141–3. Bibcode:1991Natur.353..141P. S2CID 4281137. doi:10.1038/353141a0. 
  5. ^ Bass, Isaac L.; Bonanno, Regina E.; Hackel, Richard P.; Hammond, Peter R. High-average-power dye laser at Lawrence Livermore National Laboratory. Applied Optics. 1992, 31 (33): 6993–7006. Bibcode:1992ApOpt..31.6993B. PMID 20802559. doi:10.1364/AO.31.006993. 
  6. ^ 6.0 6.1 Duarte F. J. Multiple-Return-Pass Beam Divergence and the Linewidth Equation. Applied Optics. 2001, 40 (18): 3038–41. Bibcode:2001ApOpt..40.3038D. PMID 18357323. doi:10.1364/AO.40.003038. 
  7. ^ Pique, Jean-Paul; Farinotti, Sébastien. Efficient modeless laser for a mesospheric sodium laser guide star. Journal of the Optical Society of America B. 2003, 20 (10): 2093–101. Bibcode:2003OSAJB..20.2093P. doi:10.1364/JOSAB.20.002093. 
  8. ^ Wizinowich, Peter L.; Le Mignant, David; Bouchez, Antonin H.; Campbell, Randy D.; Chin, Jason C. Y.; Contos, Adam R.; Van Dam, Marcos A.; Hartman, Scott K.; et al. The W. M. Keck Observatory Laser Guide Star Adaptive Optics System: Overview (PDF). Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 2006, 118 (840): 297–309. Bibcode:2006PASP..118..297W. doi:10.1086/499290. 
  9. ^ Comaskey, Brian; Ault, Earl; Kuklo, Thomas, High average power laser gain medium with low optical distortion using a transverse flowing liquid host, Nov 6, 2003 [2016-03-19] 
  10. ^ D'Orgeville, Céline; Fetzer, Gregory J. Four generations of sodium guide star lasers for adaptive optics in astronomy and space situational awareness. Adaptive Optics Systems V 9909. SPIE. 2016. Bibcode:2016SPIE.9909E..0RD. ISBN 9781510601970. doi:10.1117/12.2234298. 
  11. ^ SodiumStar 20/2 – High Power CW Tunable Guide Star Laser (PDF). www.toptica.com. TOPTICA Photonics AG. [28 May 2019]. 
  12. ^ Olivier, S. S.; Max, C. E. Laser Guide Star Adaptive Optics: Present and Future. Very High Angular Resolution Imaging. 1994, 158: 283. Bibcode:1994IAUS..158..283O. ISBN 978-0-7923-2633-5. S2CID 115762227. doi:10.1007/978-94-011-0880-5_48. 
  13. ^ Markus Kasper; Stefan Stroebele; Richard Davies; Domenico Bonaccini Calia. Free from the Atmosphere – Laser Guide Star System on ESO's VLT Starts Regular Science Operations. ESO for the public. ESO. 13 June 2007 [2 June 2011]. 
  14. ^ Four Lasers Over Paranal. European Southern Observatory. [27 April 2016]. 
  15. ^ 15.0 15.1 Very Large Telescope – The world's most advanced visible-light astronomical observatory. European Southern Observatory. 
  16. ^ Adaptive Optics. European Southern Observatory. 
  17. ^ ESO Signs Technology Transfer Deal. ESO announcement. 
  18. ^ Laser Guide Star Units Accepted and Shipped to Chile. ESO announcement. 
  19. ^ HAWK-I – High Acuity Wide-field K-band Imager. European Southern Observatory. 
  20. ^ MUSE – Multi Unit Spectroscopic Explorer. European Southern Observatory. 
  21. ^ The European Extremely Large Telescope – The world's biggest eye on the sky. European Southern Observatory. 
  22. ^ 22.0 22.1 D. Bonaccini Calia D. Budker J. M. Higbie W. Hackenberg R. Holzlohner, S. M. Rochester. Optimization of CW sodium laser guide star efficiency. Astronomy and Astrophysics, 510, 2010.

外部链接

 
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