Лазерная направляющая звезда
Лазерная направляющая звезда — это искусственное изображение звезды , созданное для использования в системах астрономической адаптивной оптики , которые используются в больших телескопах для коррекции атмосферных искажений света (так называемое астрономическое зрение ). Системы адаптивной оптики (АО) требуют волнового фронта, опорного источника света называемого опорной звездой . Точечными источниками для этой цели могут служить естественные звезды, однако достаточно яркие звезды имеются не во всех частях неба, что существенно ограничивает полезность адаптивной оптики естественных опорных звезд . Вместо этого можно создать искусственную опорную звезду, направив лазер в атмосферу . Свет луча отражается компонентами верхних слоев атмосферы обратно в телескоп. Эту звезду можно расположить в любом месте, на которое пожелает направить телескоп , открывая гораздо больший простор неба для адаптивной оптики.
Поскольку лазерный луч на пути вверх отклоняется астрономическим зрением, возвращающийся лазерный свет не перемещается по небу, как это делают астрономические источники. Чтобы астрономические изображения оставались устойчивыми, необходимо следить за естественной звездой поблизости на небе, чтобы можно было вычесть движение лазерной опорной звезды с помощью наклоняемого зеркала . Однако эта звезда может быть намного тусклее, чем требуется для адаптивной оптики естественной опорной звезды, поскольку она используется для измерения только наклона и наклона, а все искажения более высокого порядка измеряются с помощью лазерной опорной звезды. Это означает, что подходит гораздо больше звезд и, соответственно, доступна большая часть неба.
Типы
[ редактировать ]
Существует два основных типа систем лазерных направляющих звезд: натриевые и направляющие звезды-маяки Рэлея.
Натриевые маяки создаются с помощью лазера, настроенного на длину волны 589,2 нанометра, подачи энергии атомам в натриевом слое мезосферы для на высоте около 90 км (56 миль). Затем атомы натрия повторно излучают лазерный свет, создавая светящуюся искусственную звезду. Тот же атомный переход натрия используется в натриевых лампах для уличного освещения .
Маяки Рэлея основаны на рассеянии света молекулами в нижних слоях атмосферы. В отличие от натриевых маяков, маяки Рэлея намного проще и дешевле, но не обеспечивают такого же хорошего привязки волнового фронта, поскольку искусственный маяк генерируется гораздо ниже в атмосфере. Лазеры часто являются импульсными, при этом измерение атмосферы осуществляется с временным стробированием (происходит через несколько микросекунд после запуска импульса, поэтому рассеянный свет на уровне земли игнорируется и остается только тот свет, который прошел в течение нескольких микросекунд высоко в атмосферу). и обратно действительно обнаруживается).
Лазерная разработка
[ редактировать ]Лазеры на красителях были первыми лазерными источниками, использованными в лазерных направляющих звездах. [3] [4] [5] [6] Эти перестраиваемые лазеры продолжают играть значительную роль в этой области. [7] [8] Однако некоторые исследователи считают использование жидких усиливающих сред невыгодным. [9] Лазерные источники второго поколения для натриевых опорных звезд включают твердотельные лазеры со смешанной суммой частот. [10] С 2005 года разрабатываются новые лазерные системы третьего поколения на основе перестраиваемых диодных лазеров с последующим узкополосным комбинационным волоконным усилением и резонансным преобразованием частоты. С 2014 года полностью готовые системы коммерчески доступны. [11] Важными выходными характеристиками упомянутых здесь перестраиваемых лазеров являются дифракционно-ограниченная расходимость луча и излучение с узкой шириной линии. [6]
Прогресс
[ редактировать ]Считается, что направляющая звезда натриевого лазера для использования в адаптивной оптике для коррекции атмосферных искажений была изобретена физиком из Принстона Уиллом Хэппером в 1982 году в рамках Стратегической оборонной инициативы она была засекречена . , но в то время [12]
Адаптивная оптика лазерной направляющей звезды — все еще очень молодая область, и в настоящее время в развитие технологий вкладывается много усилий. По состоянию на 2006 год только две системы АО с лазерными направляющими звездами регулярно использовались для научных наблюдений и внесли свой вклад в опубликованные результаты в рецензируемой научной литературе: системы в Ликской и Паломарской обсерваториях в Калифорнии и в обсерватории Кека на Гавайях . Однако системы лазерных направляющих звезд находились в стадии разработки на большинстве крупных телескопов: телескоп Уильяма Гершеля , Очень Большой Телескоп и Северные Близнецы испытали лазеры на небе, но еще не достигли регулярной работы. Другие обсерватории, разрабатывающие лазерные системы АО по состоянию на 2006 год, включают Большой бинокулярный телескоп и Gran Telescopio Canarias . Лазерная система направляющих звезд на Очень Большом Телескопе начала регулярную научную работу в июне 2007 года. [13]
С апреля 2016 года [14] Установка 4 Laser Guide Star (4LGSF) установлена на Очень Большом Телескопе ESO (VLT), [15] как новая подсистема Центра адаптивной оптики (AOF). [16] 4LGSF является дополнением к VLT Laser Guide Star Facility (LGSF). Вместо одного лазерного луча 4LGSF распространяет четыре лазерных луча в небо Параналя 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, корректируемое адаптивной оптикой. Каждый лазер обеспечивает мощность 22 Вт при диаметре 30 см (12 дюймов). Лазерная система 4LGSF основана на технологии волоконного рамановского лазера, разработанной в ESO и переданной в промышленность. [17] [18]
Модернизация до четырех лазеров с технологией волоконного рамановского лазера необходима для поддержки новых инструментов в обсерватории Паранал. [15] как HAWK-I (с ГРААЛЕМ) [19] и MUSE (совместно с GALACSI). [20] Кроме того, благодаря 4LGSF стабильность увеличивается, объем профилактического технического обслуживания и время подготовки к наблюдениям будут значительно сокращены по сравнению с LGSF, который в настоящее время все еще использует свой оригинальный лазер на красителе (планируется заменить волоконным лазером ). .4LGSF помогает астрономам тестировать устройства для E-ELT . [21] который будет иметь аналогичную систему для поддержки адаптивной оптики телескопа.Учитывая его мощность, операции 4LGSF следуют протоколу, позволяющему избежать любого риска. Лазерная система оснащена автоматической системой уклонения от самолетов, которая отключает лазеры, если самолет приближается слишком близко к лучам.
Для направляющих звезд натриевого лазера необходимо преодолеть три основные проблемы: ларморовскую прецессию, отдачу и переходное насыщение. [22] Ларморовская прецессия, представляющая собой прецессию атома натрия в геомагнитном поле (точнее, это прецессия квантованного вектора полного атомного момента атома), уменьшает атомную флуоресценцию лазерной опорной звезды за счет изменения углового момента атом перед двухуровневым циклическим переходом может быть установлен посредством оптической накачки циркулярно поляризованным светом. Отдача от спонтанного излучения, приводящая к импульсному удару атома, вызывает красное смещение лазерного света относительно атома, что делает атом неспособным поглощать лазерный свет и, следовательно, неспособным флуоресцировать. Переходное насыщение - это опустошение 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. [22]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Новый мощный лазер прошел ключевое испытание» . ЭСО . Проверено 2 апреля 2014 г.
- ^ «Новые лазерные пусковые установки VLT прибыли в ESO» . Объявление ESO . Проверено 22 февраля 2012 г.
- ^ Эверетт, Патрик Н. (1989). «Лазер на красителе мощностью 300 Вт для полевого экспериментального полигона». Материалы Международной конференции по лазерам '88 : 404–9. Бибкод : 1989lase.conf..404E . ОСЛК 20243203 . ОСТИ 5416850 .
- ^ Приммерман, Чарльз А.; Мерфи, Дэниел В.; Пейдж, Дэниел А.; Золларс, Байрон Г.; Барклай, Герберт Т. (1991). «Компенсация оптических искажений атмосферы с помощью синтетического маяка». Природа . 353 (6340): 141–3. Бибкод : 1991Natur.353..141P . дои : 10.1038/353141a0 . S2CID 4281137 .
- ^ Басс, Исаак Л.; Бонанно, Регина Э.; Хакель, Ричард П.; Хаммонд, Питер Р. (1992). «Лазер на красителе высокой средней мощности в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса». Прикладная оптика . 31 (33): 6993–7006. Бибкод : 1992ApOpt..31.6993B . дои : 10.1364/AO.31.006993 . ПМИД 20802559 .
- ^ Jump up to: а б Дуарте Ф.Дж. (2001). «Расходимость луча при многократном возврате и уравнение ширины линии». Прикладная оптика . 40 (18): 3038–41. Бибкод : 2001ApOpt..40.3038D . дои : 10.1364/AO.40.003038 . ПМИД 18357323 .
- ^ Пике, Жан-Поль; Фаринотти, Себастьян (2003). «Эффективный безмодальный лазер для мезосферной натриевой лазерной опорной звезды» . Журнал Оптического общества Америки Б. 20 (10): 2093–101. Бибкод : 2003OSAJB..20.2093P . дои : 10.1364/JOSAB.20.002093 .
- ^ Визинович, Питер Л.; Ле Миньян, Дэвид; Буше, Антонин Х.; Кэмпбелл, Рэнди Д.; Чин, Джейсон Сай; Контос, Адам Р.; Ван Дам, Маркос А.; Хартман, Скотт К.; и др. (2006). «Система адаптивной оптики лазерной направляющей звезды обсерватории WM Keck: обзор» (PDF) . Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 118 (840): 297–309. Бибкод : 2006PASP..118..297W . дои : 10.1086/499290 .
- ^ Комаски, Брайан; Олт, Эрл; Кукло, Томас (6 ноября 2003 г.), Лазерная среда с высокой средней мощностью и низкими оптическими искажениями с использованием поперечно текущей жидкой среды , получено 19 марта 2016 г.
- ^ Д'Оржвиль, Селин ; Фетцер, Грегори Дж. (2016). Четыре поколения лазеров на натриевых опорных звездах для адаптивной оптики в астрономии и осведомленности о космической ситуации . Системы адаптивной оптики. Т. Том. 9909. ШПИОН. Бибкод : 2016SPIE.9909E..0RD . дои : 10.1117/12.2234298 . ISBN 9781510601970 .
- ^ «SodiumStar 20/2 — перестраиваемый лазер с направляющей звездой непрерывного действия высокой мощности» (PDF) . www.toptica.com . ТОПТИКА Фотоникс АГ . Проверено 28 мая 2019 г.
- ^ Оливье, СС; Макс, CE (1994). «Адаптивная оптика Laser Guide Star: настоящее и будущее» . Визуализация с очень высоким угловым разрешением . 158 : 283. Бибкод : 1994IAUS..158..283O . дои : 10.1007/978-94-011-0880-5_48 . ISBN 978-0-7923-2633-5 . S2CID 115762227 .
- ^ Маркус Каспер; Стефан Штробеле; Ричард Дэвис; Доменико Боначчини Калия (13 июня 2007 г.). «Свободно от атмосферы: лазерная система Guide Star на VLT ESO начинает регулярные научные операции» . ESO для публики . ЭСО . Проверено 2 июня 2011 г.
- ^ «Четыре лазера над Параналем» . Европейская южная обсерватория . Проверено 27 апреля 2016 г.
- ^ Jump up to: а б «Очень большой телескоп – самая совершенная в мире астрономическая обсерватория видимого света» . Европейская южная обсерватория .
- ^ «Адаптивная оптика» . Европейская южная обсерватория .
- ^ «ESO подписывает соглашение о передаче технологий» . Объявление ESO .
- ^ «Установки Laser Guide Star приняты и отправлены в Чили» . Объявление ESO .
- ^ «HAWK-I – высокоточный широкопольный тепловизор K-диапазона» . Европейская южная обсерватория .
- ^ «MUSE – многоблочный спектроскопический исследователь» . Европейская южная обсерватория .
- ^ «Европейский чрезвычайно большой телескоп – самый большой в мире глаз, наблюдающий за небом» . Европейская южная обсерватория .
- ^ Jump up to: а б Д. Боначчини Калия Д. Будкер Дж. М. Хигби В. Хакенберг Р. Хольцлонер, С. М. Рочестер. Оптимизация эффективности направляющей звезды непрерывного натриевого лазера. Астрономия и астрофизика, 510, 2010.
Внешние ссылки
[ редактировать ]