stringtranslate.com

Лазерная путеводная звезда

Мощная лазерная система навигационных звезд в обсерватории Паранал .
Настоящая звезда лазерного путеводителя — это небольшая точка над видимым концом лазерного луча.

Лазерная направляющая звезда — это искусственное изображение звезды , созданное для использования в астрономических адаптивных оптических системах, которые используются в больших телескопах для исправления атмосферных искажений света (называемых астрономическим зрением ). Системы адаптивной оптики (АО) требуют опорного источника волнового фронта света, называемого направляющей звездой . Естественные звезды могут служить точечными источниками для этой цели, но достаточно яркие звезды доступны не во всех частях неба, что значительно ограничивает полезность адаптивной оптики естественной направляющей звезды . Вместо этого можно создать искусственную направляющую звезду, направив лазер в атмосферу . Свет от луча отражается компонентами в верхней атмосфере обратно в телескоп. Эту звезду можно расположить в любом месте, куда телескоп хочет направить, открывая гораздо большие участки неба для адаптивной оптики.

Поскольку лазерный луч отклоняется астрономическим зрением на пути вверх, возвращающийся лазерный свет не перемещается по небу, как это делают астрономические источники. Чтобы астрономические изображения оставались устойчивыми, необходимо отслеживать близлежащую естественную звезду на небе, чтобы можно было вычесть движение лазерной направляющей звезды с помощью наклонно-наклонного зеркала . Однако эта звезда может быть намного слабее, чем требуется для адаптивной оптики естественной направляющей звезды, поскольку она используется для измерения только наклона и наклона, а все искажения более высокого порядка измеряются с помощью лазерной направляющей звезды. Это означает, что подходит гораздо больше звезд, и соответственно доступна большая часть неба.

Типы

Существует два основных типа систем лазерных опорных звезд: опорные звезды натриевого и рэлеевского маяков.

Натриевые маяки создаются с помощью лазера, настроенного на 589,2 нанометра, для возбуждения атомов в натриевом слое мезосферы 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 менее затратны, но не обеспечивают такой же хороший опорный волновой фронт, поскольку искусственный маяк генерируется гораздо ниже в атмосфере. Лазеры часто импульсные, с измерением атмосферы, стробируемым по времени (происходящим через несколько микросекунд после запуска импульса, так что рассеянный свет на уровне земли игнорируется, и фактически обнаруживается только свет, который прошел несколько микросекунд высоко в атмосферу и обратно).

Развитие лазера

Лазеры на красителях были первыми лазерными источниками, используемыми в приложениях лазерных направляющих звезд. [3] [4] [5] [6] Эти перестраиваемые лазеры продолжают играть важную роль в этой области. [7] [8] Однако использование жидких усиливающих сред некоторыми исследователями считалось невыгодным. [9] Лазерные источники второго поколения для приложений натриевых направляющих звезд включают твердотельные лазеры со смешанной суммарной частотой. [10] Новые лазерные системы третьего поколения на основе перестраиваемых диодных лазеров с последующим узкополосным рамановским волоконным усилением и резонансным преобразованием частоты разрабатываются с 2005 года. С 2014 года полностью спроектированные системы доступны на рынке. [11] Важные выходные характеристики перестраиваемых лазеров , упомянутых здесь, включают дифракционно-ограниченную расходимость пучка и излучение с узкой шириной линии. [6]

Прогресс

Пример искусственной опорной звезды.

Считается, что направляющая звезда натриевого лазера для использования в адаптивной оптике для коррекции атмосферных искажений была изобретена физиком из Принстона Уиллом Хаппером в 1982 году в рамках Стратегической оборонной инициативы , но в то время она была засекречена . [12]

Адаптивная оптика лазерных направляющих звезд все еще является очень молодой областью, и в настоящее время много усилий вкладывается в разработку технологий. По состоянию на 2006 год только две системы лазерных направляющих звезд AO регулярно использовались для научных наблюдений и внесли вклад в опубликованные результаты в рецензируемой научной литературе: в обсерваториях Лик и Паломар в Калифорнии и обсерватории Кека на Гавайях . Тем не менее, системы лазерных направляющих звезд находились в стадии разработки на большинстве крупных телескопов, причем телескоп Уильяма Гершеля , Очень большой телескоп и Джемини Север испытывали лазеры на небе, но еще не достигли регулярной эксплуатации. Другие обсерватории, разрабатывающие системы лазерных направляющих звезд по состоянию на 2006 год, включают Большой бинокулярный телескоп и Гран Телескопио Канариас . Система лазерных направляющих звезд на Очень большом телескопе начала регулярную научную эксплуатацию в июне 2007 года. [13]

С апреля 2016 года [14] на Очень Большом Телескопе (VLT) ESO был установлен 4-й Лазерный Звездный Центр (4LGSF) [15] в качестве новой подсистемы Адаптивного Оптического Центра (AOF). [16] 4LGSF является дополнением к Лазерному Звездному Центру VLT (LGSF). Вместо одного лазерного луча 4LGSF распространяет четыре лазерных луча в небе 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, скорректированное адаптивной оптикой. Каждый лазер выдает 22 Вт в 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 волоконной рамановской лазерной технологией необходима для поддержки новых инструментов в обсерватории Паранал, [15] таких как HAWK-I (с GRAAL) [19] и MUSE (с GALACSI). [20] Также с 4LGSF повышается стабильность, объем профилактического обслуживания и подготовка времени наблюдения 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, чтобы избежать любого риска. Лазерная система оснащена автоматической системой уклонения от самолетов, которая отключает лазеры, если самолет приближается слишком близко к лучам.

Для натриевых лазерных направляющих звезд необходимо преодолеть три основные проблемы: прецессия Лармора, отдача и насыщение перехода. [22] Прецессия Лармора, которая является прецессией атома натрия в геомагнитном поле (точнее, это прецессия квантованного полного вектора атомного углового момента атома), уменьшает атомную флуоресценцию лазерной направляющей звезды, изменяя угловой момент атома до того, как двухуровневый циклический переход может быть установлен посредством оптической накачки циркулярно поляризованным светом. Отдача от спонтанного излучения, приводящая к импульсному толчку атома, вызывает красное смещение лазерного света относительно атома, делая атом неспособным поглощать лазерный свет и, таким образом, неспособным флуоресцировать. Насыщение перехода представляет собой депопуляцию 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

  1. ^ "Мощный новый лазер проходит ключевой тест". ESO . Получено 2 апреля 2014 г.
  2. ^ «Новые лазерные пусковые установки VLT прибыли в ESO» . Объявление ESO . Проверено 22 февраля 2012 г.
  3. ^ Эверетт, Патрик Н. (1989). «300-ваттный лазер на красителе для полевого экспериментального участка». Труды Международной конференции по лазерам '88 : 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. (1991). «Компенсация атмосферных оптических искажений с помощью синтетического маяка». Nature . 353 (6340): 141–3. Bibcode :1991Natur.353..141P. doi :10.1038/353141a0. S2CID  4281137.
  5. ^ Басс, Айзек Л.; Бонанно, Регина Э.; Хакель, Ричард П.; Хаммонд, Питер Р. (1992). «Высокопроизводительный лазер на красителях в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса». Прикладная оптика . 31 (33): 6993–7006. Bibcode : 1992ApOpt..31.6993B. doi : 10.1364/AO.31.006993. PMID  20802559.
  6. ^ ab Duarte FJ (2001). «Расхождение пучка многократного возврата и прохождения и уравнение ширины линии». Прикладная оптика . 40 (18): 3038–41. Bibcode : 2001ApOpt..40.3038D. doi : 10.1364/AO.40.003038. PMID  18357323.
  7. ^ Пике, Жан-Поль; Фаринотти, Себастьен (2003). «Эффективный безрежимный лазер для мезосферной натриевой лазерной направляющей звезды». Журнал Оптического общества Америки B. 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 CY; Contos, Adam R.; Van Dam, Marcos A.; Hartman, Scott K.; et al. (2006). "Система адаптивной оптики лазерной направляющей звезды обсерватории WM Keck: обзор" (PDF) . Publications of the Astronomical Society of the Pacific . 118 (840): 297–309. Bibcode :2006PASP..118..297W. doi :10.1086/499290.
  9. ^ Комаски, Брайан; Олт, Эрл; Кукло, Томас (6 ноября 2003 г.), Среда усиления лазера с высокой средней мощностью и низким оптическим искажением с использованием поперечно текущего жидкого носителя , получено 19 марта 2016 г.
  10. ^ D'Orgeville, Céline ; Fetzer, Gregory J. (2016). Четыре поколения лазеров на натриевых направляющих звездах для адаптивной оптики в астрономии и космической ситуационной осведомленности . Adaptive Optics Systems V. Vol. 9909. SPIE. Bibcode :2016SPIE.9909E..0RD. doi :10.1117/12.2234298. ISBN 9781510601970.
  11. ^ "SodiumStar 20/2 – Высокомощный непрерывно-настраиваемый лазер на направляющей звезде" (PDF) . www.toptica.com . TOPTICA Photonics AG . Получено 28 мая 2019 г. .
  12. ^ Оливье, СС; Макс, CE (1994). "Адаптивная оптика лазерной направляющей звезды: настоящее и будущее". Визуализация с очень высоким угловым разрешением . 158 : 283. Bibcode : 1994IAUS..158..283O. doi : 10.1007/978-94-011-0880-5_48. ISBN 978-0-7923-2633-5. S2CID  115762227.
  13. ^ Маркус Каспер; Стефан Штробеле; Ричард Дэвис; Доменико Боначчини Калия (13 июня 2007 г.). «Освобождение от атмосферы – лазерная направляющая звездная система на VLT ESO начинает регулярные научные операции». ESO для общественности . ESO . Получено 2 июня 2011 г.
  14. ^ "Четыре лазера над Параналом". Европейская южная обсерватория . Получено 27 апреля 2016 г.
  15. ^ ab "Очень большой телескоп – самая передовая в мире астрономическая обсерватория видимого света". Европейская южная обсерватория .
  16. ^ "Адаптивная оптика". Европейская южная обсерватория .
  17. ^ "ESO подписывает соглашение о передаче технологий". Объявление ESO .
  18. ^ "Лазерные направляющие звездные блоки приняты и отправлены в Чили". Объявление ESO .
  19. ^ "HAWK-I – Высокоточный широкоугольный тепловизор K-диапазона". Европейская южная обсерватория .
  20. ^ "MUSE – Multi Unit Spectroscopic Explorer". Европейская южная обсерватория .
  21. ^ "Европейский чрезвычайно большой телескоп – самый большой глаз в мире, смотрящий в небо". Европейская южная обсерватория .
  22. ^ ab D. Bonaccini Calia D. Budker JM Higbie W. Hackenberg R. Holzlohner, SM Rochester. Оптимизация эффективности направляющей звезды непрерывного натриевого лазера. Астрономия и астрофизика, 510, 2010.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Лазерная путеводная звезда».