TOPTICA Photonics AG - A passion for precision - www.toptica.com

激光导星

利用人工导星提高望远镜分辨率

现代望远镜利用自适应光学来修正地球大气层带来的波前扰动,以避免成像模糊。激光激发高层大气层中的钠原子可用做自适应光学中的参照物,亦即所谓的激光导星。TOPTICA的 SodiumStar 系统是一台在589nm出输出功率为20W的一站式紧凑型导星激光系统,该系统可提供小于5MHz的线宽。

现代天文学。为了观测天文物体,望远镜的尺寸在过去几年来持续不断地增长。具有大型主镜的望远镜,甚至是多台望远镜阵列得以修建,以提高光学分辨率以及信号收集效率。多台具有直径大于8米镜子的望远镜纷纷问世,例如位于智利的欧洲南方天文台(ESO)甚大望远镜(VLT),或位于夏威夷的10米口径凯克望远镜可是这些望远镜的高分辨率却因地球大气中的湍流受到很大影响:不同温度层使得大气折射率不同,该现象为光路带来类似小透镜的影响,从而扰乱天文物体发射的波前信息。因此,利用这些地面天文望远镜观察到的图像由于大气干扰而变得模糊。为了获得衍射极限下的图像,一种避免干扰的方法是将望远镜安装至地球大气层之上,就像哈伯太空望远镜。然而由于载重和预算限制,可利用现有火箭运输至太空的望远镜大小是有限的。

自适应光学  对于地面望远镜来说,一种获得衍射极限图像的可能性是利用自适应光学来产生平面波。自适应光学的原理不仅被应用于天文学中光学相差的矫正,而且可被应用于例如视网膜成像系统等方向。在该方法中,入射光波前(在天文学中,即观测星发射并经由大气干扰的光)被导入至可变形镜,随后由波前传感器(例如,Shack-Hartmann传感器)进行分析。该波前传感器可为可变形镜提供连续反馈信号,以控制可变形镜的形状,从而实时保证平面波钱(信号更新率达1000Hz)。这样一来,点状物体成像将为一点,从而实现衍射极限成像。

导星  对于该自适应光学方法,在视角内的点状光源是必须的参照物。从这个角度出发,一些看上去为点状且足够亮的星体常被作为参考使用,即所谓的”自然导星“(NGS)。望远镜的光学器件不断自我调整,使得这些NGS在图像中保持点状。这样可保证在导星附近物件发射波前收到的干扰也同时得到矫正。不幸的是,能够作为NGS参考使用的星体十分少见,这使得自适应光学矫正仅适用于天空中的一小部分。解决该问题的一个方法是利用激光在夜空中产生人工点状参照物(”激光导星“,LGS)。LGS的一种实现方法是通过激发大气中间层中的钠原子,其高度大约在地球表面之上90到110km。该层大气分布均匀,相对稳定,同时在湍流大气层上方足够高位置,从而激发原子发射的荧光将于目标天文物体发射的光线一样,接受相同的波前扰动。

到目前为止,钠激光导星的实现依赖于染料激光或和频固体激光器,然而这两种方法输出能量有限并且在使用中需要极其专业的维护。为了能够激发中间层处的钠原子,需要一台能够与钠原子共振的高强度激光。该激光需要能够在589nm处提供线宽低于5MHz的连续输出。为了能够与钠原子超精细结构相匹配,激光还需要具有微调能力。为保证在望远镜能够收集足够多的荧光信号,激光需要最少20W的能量输出。

SodiumStar 激光系统  TOPTICA针对这些要求提供解决方案 SodiumStar, 这是一款紧凑可靠的一站式激光系统,输出功率为20W。该系统是我司与加拿大公司MPB Communications合作打造的结果。该系统是多种技术的组合结晶,其中包括1178nm处窄线宽半导体激光(DL DFB)作为种子源,新型窄带宽拉曼光纤放大以及共振频率转换至589nm等。拉曼放大基于种子激光与宽带泵浦激光在光纤中引发的非线性效应。一个低频”种子“光子在光纤介质中引入对高频泵浦光子的非弹性拉曼散射,从而在产生频率与种子激光相同的光子的同时产生一个声子,将多余能量传入介质中。

该过程可以输出高能量,但输出光线宽被展宽。在过去几年内,一种新进技术使得窄线宽拉曼放大成为可能,所得线宽仅受种子光源限制。该技术是在欧洲南方天文台(ESO)开发所得,现授权于TOPTICA Photonics并进一步开发成熟。SodiumStar 系统可在589nm处实现小于5MHz的线宽以及30GHz的可调带宽。该激光解决方案坚固耐用,可远程操作,并且可以承受天文望远镜所处高纬度下的严酷环境。2013年9月,智利帕瑞纳天文台的VLT(甚大望远镜)配置了4台SodiumStar系统,这些激光被直接整合入现有望远镜结构当中。

这种可扩展功率的方法也可以为其他高能连续操作可见光波段激光应用提供解决方案,例如激光原子冷却,钠原子激光雷达,激光成像投影仪,激光电视,医学理疗或超分辨率显微镜等。该技术被应用于DL RFA SHG pro系统中,利用DL 100/pro作为种子源,产生2W输出功率,线宽小于1MHz,无跳模可调谐带宽为20GHz。 

 

更多细节请参考视频: