Искусственные звёзды для телескопов: лазерные направляющие звёзды.

Введение

Искусственное звездное изображение используется телескопами. Лазерная направляющая звезда – это искусственное звездное изображение, созданное для использования в астрономических системах адаптивной оптики, применяемых в больших телескопах для коррекции атмосферных искажений света (так называемой астрономической видимости). Системы адаптивной оптики (АО) требуют источника волнового фронта света, называемого звездой-направляющей. Естественные звезды могут служить точечными источниками для этой цели, однако достаточно ярких звезд нет во всех областях неба, что значительно ограничивает эффективность адаптивной оптики, использующей естественные звезды-направляющие. Вместо этого можно создать искусственную направляющую звезду, направив лазерный луч в атмосферу. Свет от этого луча отражается от частиц в верхних слоях атмосферы и возвращается в телескоп. Такую звезду можно расположить в любой точке неба, на которую направлен телескоп, что значительно расширяет возможности адаптивной оптики. Поскольку лазерный луч искажается астрономической видимостью при прохождении через атмосферу, отраженный лазерный свет не перемещается по небу так, как это делают астрономические объекты. Для стабилизации астрономических изображений необходимо наблюдать за близлежащей естественной звездой, чтобы можно было вычесть движение лазерной направляющей звезды с помощью зеркала наклона. Однако эта звезда может быть значительно тусклее, чем требуется для адаптивной оптики, использующей естественные звезды-направляющие, поскольку она используется только для измерения наклона и смещения, а все искажения более высокого порядка измеряются с помощью лазерной направляющей звезды. Это означает, что подходит большее количество звезд, и, соответственно, доступна большая часть неба.

Типы

Существует два основных типа систем лазерных звезд-гидов, известных как натриевые и звезды-гиды Рэйли. Натриевые маяки создаются с помощью лазера, настроенного на 589,2 нанометра, для возбуждения атомов в натриевом слое мезосферы на высоте около 90-100 километров. Атомы натрия затем переизлучают лазерный свет, создавая светящуюся искусственную звезду. Тот же атомный переход натрия используется в натриевых лампах для уличного освещения. Маяки Рэйли полагаются на рассеяние света молекулами в нижних слоях атмосферы. В отличие от натриевых маяков, маяки Рэйли намного проще и дешевле, но обеспечивают менее качественную опорную волну, поскольку искусственный маяк генерируется значительно ниже в атмосфере. Лазеры часто используются в импульсном режиме, а измерение атмосферы осуществляется с временной задержкой (через несколько микросекунд после запуска импульса), чтобы игнорировать рассеянный свет на уровне земли и регистрировать только свет, прошедший вверх в атмосферу и обратно за несколько микросекунд.

Разработка лазера

Красители для лазеров были первыми лазерными источниками, использованными в приложениях с лазерными направляющими звездами. Эти настраиваемые лазеры продолжают играть значительную роль в этой области. Однако использование жидкостных сред для усиления сигнала некоторые исследователи считают невыгодным. Лазерные источники второго поколения для приложений с натриевыми направляющими звездами включают в себя твердотельные лазеры с суммочастотным смешением. С 2005 года разрабатываются новые лазерные системы третьего поколения на основе настраиваемых диодных лазеров с последующим узкополосным усилением в волокне Рамана и резонансным преобразованием частоты. С 2014 года полностью разработанные системы доступны в продаже. Важными выходными характеристиками упомянутых здесь настраиваемых лазеров являются дифракционно-ограниченное расхождение пучка и узкая ширина линии излучения. Адаптивная оптика с использованием лазерных направляющих звезд – все еще очень молодая область, в которой в настоящее время прилагаются значительные усилия для развития технологий. По состоянию на 2006 год только две системы лазерных направляющих звезд регулярно использовались для научных наблюдений и внесли вклад в опубликованные результаты в рецензируемой научной литературе: системы, установленные в обсерваториях Лик и Паломар в Калифорнии, и в обсерватории Кека на Гавайях. Однако системы лазерных направляющих звезд разрабатывались в большинстве крупных телескопов, при этом телескоп Уильяма Гершеля, Очень Большой Телескоп и Gemini North испытывали лазеры в небе, но еще не достигли регулярной эксплуатации. К другим обсерваториям, разрабатывающим лазерные системы адаптивной оптики в 2006 году, относятся Большой бинокулярный телескоп и Гран-Телескопио Канариас. Система лазерных направляющих звезд на Очень Большом Телескопе начала регулярные научные операции в июне 2007 года. С апреля 2016 года на Очень Большом Телескопе ESO (VLT) установлена установка из 4 лазерных направляющих звезд (4LGSF) в качестве новой подсистемы установки адаптивной оптики (AOF). 4LGSF является дополнением к установке лазерных направляющих звезд VLT (LGSF). Вместо одного лазерного луча 4LGSF распространяет четыре лазерных луча в небо Паранала, на севере Чили, создавая четыре искусственные звезды путем освещения атомов натрия, расположенных в атмосфере на высоте 90 км. Эти четыре звезды позволяют получить более качественную коррекцию в определенном направлении или расширить поле зрения, корректируемое адаптивной оптикой. Каждый лазер выдает 22 Вт в диаметре. Лазерная система 4LGSF основана на технологии волоконного лазера Рамана, разработанной в ESO и переданной промышленности. Модернизация до четырех лазеров с использованием технологии волоконного лазера Рамана необходима для поддержки новых инструментов в обсерватории Паранал, включая MUSE (с GALACSI). Кроме того, с 4LGSF повышается стабильность, значительно сокращается объем профилактического обслуживания и время подготовки к наблюдениям по сравнению с LGSF, который в настоящее время все еще использует свой оригинальный лазер на красителях (запланирован к замене на волоконный лазер). 4LGSF помогает астрономам тестировать устройства для E-ELT, который будет иметь аналогичную систему для поддержки адаптивной оптики телескопа. Учитывая свою мощность, операции 4LGSF проводятся в соответствии с протоколом, чтобы избежать каких-либо рисков. Лазерная система оснащена автоматической системой предотвращения столкновений с воздушными судами, которая отключает лазеры, если воздушное судно приближается к лучам на слишком близкое расстояние. Для натриевых лазерных направляющих звезд существует три основные проблемы, которые необходимо решить: прецессия Лармора, отдача и насыщение перехода. Прецессия Лармора, которая представляет собой прецессию атома натрия в геомагнитном поле (точнее, это прецессия квантованного вектора полного углового момента атома), уменьшает атомную флуоресценцию лазерной направляющей звезды, изменяя угловой момент атома до того, как может быть установлен двухуровневый циклический переход посредством оптической накачки с использованием циркулярно поляризованного света. Отдача от спонтанного излучения, приводящая к импульсу, передаваемому атому, вызывает красное смещение в лазерном свете относительно атома, что делает атом неспособным поглощать лазерный свет и, следовательно, неспособным флуоресцировать. Насыщение перехода – 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.

Dye lasers were the first laser sources used in laser guide star applications. These tunable lasers have continued to play a significant role in this field. However, the use of fluid gain media has been considered by some researchers as disadvantageous. Second generation laser sources for sodium guide star applications include sum frequency mixed solid state lasers. New third generation laser systems based on tunable diode lasers with subsequent narrow band Raman fiber amplification and resonant frequency conversion have been under development since 2005. Since 2014 fully engineered systems are commercially available. Important output features of the tunable lasers mentioned here include diffraction limited beam divergence and narrow linewidth emission. Laser guide star adaptive optics is still a very young field, with much effort currently invested in technology development. As of 2006, only two laser guide star AO systems were regularly used for science observations and have contributed to published results in peer reviewed scientific literature: those at the Lick and Palomar Observatories in California, and the Keck Observatory in Hawaii. However, laser guide star systems were under development at most major telescopes, with the William Herschel Telescope, Very Large Telescope and Gemini North having tested lasers on the sky but not yet achieved regular operations. Other observatories developing laser AO systems as of 2006 include the Large Binocular Telescope and Gran Telescopio Canarias. The laser guide star system at the Very Large Telescope started regular scientific operations in June 2007. Since April 2016, the 4 Laser Guide Star Facility (4LGSF) has been installed at the ESO's Very Large Telescope (VLT), as a new subsystem of the Adaptive Optics Facility (AOF). The 4LGSF is a complement of the VLT Laser Guide Star Facility (LGSF). Instead of a single laser beam, the 4LGSF propagates four laser beams into the skies of Paranal, in northern Chile, producing four artificial stars by illuminating sodium atoms located in the atmosphere at 90 km altitude. These four stars enable getting a better correction in a specific direction, or widening the field of view corrected by an adaptive optics. Each laser delivers 22 watts in a diameter of The 4LGSF Laser System is based on a fiber Raman laser technology, developed at ESO and transferred to industry. The upgrade to four lasers with fiber Raman laser technology is necessary to support the new instruments at Paranal Observatory, and MUSE (with GALACSI). Also with the 4LGSF the stability is increased, the amount of preventative maintenance support and the preparation of an observing run time will be considerably reduced compared to the LGSF, which currently uses still its original dye laser (planned to be replaced by a fiber laser). The 4LGSF helps astronomers to test devices for the E ELT, which will have a similar system to support the adaptive optics of the telescope. Given its power, the 4LGSF operations follow a protocol to avoid any risk. The laser system is equipped with an automatic aircraft avoidance system that shuts down the lasers if an aircraft ventures too close to the beams. For sodium laser guide stars, there are three main challenges to overcome: Larmor precession, recoil, and transition saturation. Larmor precession, which is the precession of the sodium atom in the geomagnetic field (precisely, it is the precession of the quantized total atomic angular momentum vector of the atom), decreases the atomic fluorescence of the laser guide star by changing the angular momentum of the atom before a two level cycling transition can be established through optical pumping with circularly polarized light. Recoil from spontaneous emission, resulting in a momentum kick to the atom, causes a redshift in the laser light relative to the atom, rendering the atom unable to absorb the laser light and thus unable to fluoresce. Transition saturation is the depopulation of atoms from a state of higher angular momentum (F=2) to a state of lower angular momentum (F=1), resulting in a different absorption wavelength.