Лазерный гид по звезде - Википедия - Laser guide star

ESO протестировали новый лазерный гид по звезде Wendelstein, выпустив мощный лазерный луч в атмосферу.[1]
Пример искусственной опорной звезды.

А лазерная направляющая звезда это искусственный звезда изображение создано для использования в астрономический адаптивная оптика системы, которые используются в крупных телескопы чтобы исправить атмосферный искажение света (называемое астрономическое видение ). Для систем адаптивной оптики (АО) требуется волновой фронт эталонный источник света, называемый путеводная звезда. Естественные звезды могут служить для этой цели точечными источниками, но достаточно яркие звезды доступны не во всех частях неба, что значительно ограничивает полезность адаптивного управления естественными звездами. оптика. Вместо этого можно создать искусственную звезду-проводник, посветив лазер в атмосфера. Свет от луча отражается компонентами в верхних слоях атмосферы обратно в телескоп. Эту звезду можно расположить где угодно телескоп желает указывать, открывая гораздо большее пространство неба для адаптивной оптики.

Поскольку лазерный луч отклоняется астрономическим зрением на пути вверх, возвращающийся свет лазера не движется по небу, как это делают астрономические источники. Для того, чтобы сохранить астрономические изображения устойчивыми, естественные звезды рядом в небе должны контролироваться для того, чтобы движение лазерных направляющей звезды может быть вычтены с использованием наклонное зеркало. Тем не менее, эта звезда может быть намного слабее, чем это требуется для естественного руководство звезда адаптивной оптики, поскольку он используется для измерения только наклоны, и все искажения более высокого порядка измеряется с помощью лазерной направляющей звезды. Это означает, что подходит гораздо больше звезд и соответственно доступна большая часть неба.

Типы

Первый 22-ваттный TOPTICA натриевый лазер Центра адаптивной оптики[2]
Один из стартовых телескопов для комплекса VLT Four Laser Guide Star Facility.[3]

Существует два основных типа лазерных опорных звезд, известных как натриевые и рэлеевские опорные звезды.

Натриевые маяки создаются с помощью лазера, настроенного на 589,2. нанометры возбуждать атомы в натриевый слой из мезосфера на высоте около 90 км (56 миль). Затем атомы натрия повторно излучают лазерный свет, создавая светящуюся искусственную звезду. Такой же атомарный переход натрия используется в натриевые лампы за уличное освещение.

Маяки Рэлея полагаются на рассеяние света молекулами в нижних слоях атмосферы. В отличие от маяков натрия, Рэлея маяки гораздо проще и дешевле, но не обеспечивают такой же хороший волновой фронт опорного, так как искусственный маяк генерируется значительно ниже в атмосфере. Лазеры часто являются импульсными, при этом измерение атмосферы ограничено по времени (происходит через несколько микросекунд после запуска импульса, так что рассеянный свет на уровне земли игнорируется и только свет, который прошел в течение нескольких микросекунд высоко в атмосферу. и обратно фактически обнаружен).

Лазерная разработка

Лазеры на красителях были первыми лазерными источниками, использованными в приложениях для лазерных направляющих звезд.[4][5][6][7] Эти перестраиваемые лазеры продолжают играть важную роль в этой области.[8][9] Тем не менее, некоторые исследователи считают использование жидких усиливающих сред невыгодным.[10] Источники лазеров второго поколения для натриевых направляющих звезд включают твердотельные лазеры со смешанной частотой.[11] Новые лазерные системы третьего поколения на основе перестраиваемых диодных лазеров с последующим узкополосным рамановским усилением и преобразованием резонансной частоты разрабатываются с 2005 года. С 2014 года коммерчески доступны полностью сконструированные системы.[12] Важные особенности вывода перестраиваемые лазеры упомянутые здесь включают ограниченную дифракцией расходимость луча и излучение с узкой шириной линии.[7]

Прогресс

Натриевая лазерная направляющая звезда для использования в адаптивной оптике для коррекции атмосферных искажений была изобретена физиком из Принстона. Уилл Хэппер в 1982 г. в рамках Стратегическая оборонная инициатива, но это было классифицированный в то время.[13]

Адаптивная оптика для лазерных гидов по звездам - ​​все еще очень молодая область, и в настоящее время в ее развитие вкладываются большие усилия. По состоянию на 2006 г. только две системы АО для лазерных гидов регулярно использовались для научных наблюдений и внесли свой вклад в опубликованные результаты в рецензируемый научная литература: на Лизать и Паломар Обсерватории в Калифорния, а Обсерватория Кека в Гавайи. Однако системы лазерных гидов по звездам разрабатывались на большинстве крупных телескопов. Телескоп Уильяма Гершеля, Очень большой телескоп и Близнецы Север испытав лазеры в небе, но еще не добившись нормальной работы. Другие обсерватории, разрабатывающие лазерные системы Ао с 2006 г., включают: Большой бинокулярный телескоп и Gran Telescopio Canarias. Звездная система лазерного гида на Очень большой телескоп начал регулярную научную деятельность в июне 2007 г.[14]

Мощная лазерная направляющая звездная система на Обсерватория Паранал.

С апреля 2016 г.[15] установка 4 Laser Guide Star (4LGSF) была установлена ​​на территории ESO. Очень большой телескоп (VLT),[16] в качестве новой подсистемы Adaptive Optics Facility (AOF).[17] 4LGSF является дополнением к системе VLT Laser Guide Star (LGSF). Вместо одного лазерного луча 4LGSF распространяет четыре лазерных луча в небо Паранала на севере Чили, создавая четыре искусственные звезды, освещая атомы натрия, расположенные в атмосфере на высоте 90 км. Эти четыре звезды позволяют получить лучшую коррекцию в определенном направлении или расширить поле зрения, исправленное с помощью адаптивной оптики. Каждый лазер выдает 22 Вт при диаметре 30 см (12 дюймов). Лазерная система 4LGSF основана на технологии волоконного рамановского лазера, разработанной в ESO и переданной в промышленность.[18][19]

Обновление до четырех лазеров с волоконной рамановской лазерной технологией необходимо для поддержки новых инструментов в обсерватории Паранал.[16] как HAWK-I (с GRAAL) [20] и МУЗА (с ГАЛАКСИ).[21] Кроме того, с 4LGSF повышается стабильность, объем профилактического обслуживания и время подготовки к запуску наблюдений будут значительно сокращены по сравнению с LGSF, который в настоящее время все еще использует свой оригинальный лазер на красителях (планируется заменить на волоконный лазер 4LGSF помогает астрономам тестировать устройства для E-ELT,[22] который будет иметь аналогичную систему для поддержки адаптивной оптики телескопа. Учитывая его мощность, операции 4LGSF следуют протоколу, чтобы избежать любого риска. Лазерная система оснащена автоматической системой уклонения от самолетов, которая отключает лазеры, если самолет приближается к лучам.

Для натриевых лазерных опорных звезд необходимо преодолеть три основных проблемы: ларморовская прецессия, отдача и переходное насыщение.[23] Ларморовская прецессия, которая является прецессией атома натрия в геомагнитном поле (точнее, это прецессия квантованного суммарного атомного углового момента вектора атома), уменьшается атомной флуоресценцией лазерных направляющей звезды путем изменения углового момента атом перед двухуровневым циклическим переходом может быть установлен с помощью оптической накачки циркулярно поляризованным светом. Отдача от спонтанного излучения, приводящая к импульсному удару атома, вызывает красное смещение лазерного света относительно атома, делая атом неспособным поглощать лазерный свет и, следовательно, неспособным флуоресцировать. Переходное насыщение - это депопуляция атомов из состояния с более высоким угловым моментом (F = 2) в состояние с более низким угловым моментом (F = 1), что приводит к другой длине волны поглощения.[23]

Рекомендации

  1. ^ «Лазер встречает молнию». Изображение недели ESO. Европейская южная обсерватория.
  2. ^ «Новый мощный лазер прошел ключевой тест». ESO. Получено 2 апреля 2014.
  3. ^ "Новые лазерные пусковые установки VLT прибывают в ESO". Объявление ESO. Получено 22 февраля 2012.
  4. ^ Эверетт, Патрик Н. (1989). «300-ваттный лазер на красителях для полевого экспериментального участка». Материалы Международной конференции по лазерам '88.: 404–9. Bibcode:1989lase.conf..404E. OCLC  20243203. OSTI  5416850.
  5. ^ Primmerman, Charles A .; Мерфи, Дэниел В .; Page, Daniel A .; Zollars, Byron G .; Барклай, Герберт Т. (1991). «Компенсация атмосферных оптических искажений синтетическим маяком». Природа. 353 (6340): 141–3. Bibcode:1991Натура.353..141П. Дои:10.1038 / 353141a0. S2CID  4281137.
  6. ^ Bass, Isaac L .; Бонанно, Регина Э .; Хакель, Ричард П .; Хаммонд, Питер Р. (1992). «Лазер на красителях высокой средней мощности в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса». Прикладная оптика. 31 (33): 6993–7006. Bibcode:1992АпОпт..31.6993B. Дои:10.1364 / AO.31.006993. PMID  20802559.
  7. ^ а б Дуарте Ф. Дж. (2001). «Многократная расходимость луча и уравнение ширины линии». Прикладная оптика. 40 (18): 3038–41. Bibcode:2001ApOpt..40.3038D. Дои:10.1364 / AO.40.003038. PMID  18357323.
  8. ^ Пике, Жан-Поль; Фаринотти, Себастьян (2003). «Эффективный безмодовый лазер для мезосферной натриевой лазерной звезды-проводника». Журнал Оптического общества Америки B. 20 (10): 2093–101. Bibcode:2003OSAJB..20.2093P. Дои:10.1364 / JOSAB.20.002093.
  9. ^ Wizinowich, Peter L .; Ле Миньян, Давид; Bouchez, Antonin H .; Кэмпбелл, Рэнди Д .; Чин, Джейсон С. Й .; Contos, Adam R .; Ван Дам, Маркос А .; Хартман, Скотт К .; и другие. (2006). "Система адаптивной оптики звезды лазерного гида обсерватории У. М. Кека: обзор" (PDF). Публикации Тихоокеанского астрономического общества. 118 (840): 297–309. Bibcode:2006PASP..118..297W. Дои:10.1086/499290.
  10. ^ Комаски, Брайан; Олт, граф; Кукло, Томас (6 ноября 2003 г.), Среда с высокой средней мощностью усиления лазера с низким оптическим искажением с использованием поперечно текущей жидкой матрицы, получено 2016-03-19
  11. ^ Д'Оржевиль, Селин; Фетцер, Грегори Дж. (2016). Четыре поколения натриевых управляющих звездных лазеров для адаптивной оптики в астрономии и космической ситуационной осведомленности. Адаптивные оптические системы V. 9909. ШПИОН. Bibcode:2016SPIE.9909E..0RD. Дои:10.1117/12.2234298. ISBN  9781510601970.
  12. ^ "SodiumStar 20/2 - мощный непрерывный перестраиваемый звездный лазер" (PDF). www.toptica.com. TOPTICA Photonics AG. Получено 28 мая 2019.
  13. ^ Olivier, S. S .; Макс, К. Э. "Laser Guide Star Adaptive Optics: настоящее и будущее". Bibcode:1994IAUS..158..283O. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ Маркус Каспер; Стефан Стробеле; Ричард Дэвис; Доменико Боначчини Калия (13 июня 2007 г.). «Свободно от атмосферы - система Laser Guide Star на ESO VLT начинает регулярные научные операции». ESO для общественности. ESO. Получено 2 июн 2011.
  15. ^ "Четыре лазера над Параналом". Европейская южная обсерватория. Получено 27 апреля 2016.
  16. ^ а б «Очень большой телескоп - самая передовая в мире астрономическая обсерватория видимого света». Европейская южная обсерватория.
  17. ^ «Адаптивная оптика». Европейская южная обсерватория.
  18. ^ «ESO подписывает сделку по передаче технологий». Объявление ESO.
  19. ^ «Аппараты Laser Guide Star приняты и отправлены в Чили». Объявление ESO.
  20. ^ "HAWK-I - High Acuity Wide-field тепловизор K-диапазона". Европейская южная обсерватория.
  21. ^ "MUSE - многозвенный спектроскопический исследователь". Европейская южная обсерватория.
  22. ^ "Европейский чрезвычайно большой телескоп - самый большой глаз в мире, смотрящий в небо". Европейская южная обсерватория.
  23. ^ а б Д. Боначчини Калия Д. Будкер Дж. М. Хигби В. Хакенберг Р. Хольцлохнер, С. М. Рочестер. Оптимизация эффективности путеводной звезды непрерывного натриевого лазера. Астрономия и астрофизика, 510, 2010.

внешняя ссылка