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 опорного источника света волнового фронта , 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 в атмосферу лазер . 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 своем 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.
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, для подачи энергии атомам 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 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).
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]
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 , но в то время она была засекречена . [12]
Адаптивная оптика с лазерной направляющей звездой — 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] на Очень Большом Телескопе ESO (VLT) установлена установка 4 Laser Guide Star (4LGSF) [15] в качестве новой подсистемы установки 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]
Обновление до четырех лазеров с технологией волоконного рамановского лазера необходимо для поддержки новых инструментов в обсерватории Паранал, [15] таких как HAWK-I (с GRAAL) [19] и MUSE (с GALACSI). [20] Кроме того, благодаря 4LGSF стабильность увеличивается, объем профилактического 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 его на лазер на красителе). волоконный лазер ). 4LGSF помогает астрономам тестировать устройства для E-ELT , [21] который будет иметь аналогичную систему для поддержки адаптивной оптики телескопа. Учитывая его мощь, 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 угловой момент атома перед двухуровневым циклическим переходом можно установить с помощью 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]
