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中科院理化所激光中心:造空中最亮的人造恒星

2016-03-24 09:16
路过的码农
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  走进中科院理化所激光中心彭钦军研究员的办公室,最引人注目的是摆在办公桌上的一张照片:深蓝色的天幕下,一束黄光如利剑般直刺天际,亮丽、耀眼。

  “这是在云南天文台丽江站,配备微秒脉冲钠导引星激光系统时拍摄的。”彭钦军介绍。

  在中科院理化所,有一群致力于用激光造星星、观测星星的人,从2003年起,这个以许祖彦院士为学术指导,彭钦军研究员、薄勇研究员为骨干的研究团队,就开始捣鼓“钠信标激光器”,并用它在大气顶层造出了最亮的人造恒星——“钠导引星”。

  受大气扰动的强烈影响,天文学家使用大型地基望远镜观察星空,就像透过有波浪的水看水中的鱼一样——看到的物体与实物相比发生模糊变形,望远镜的成像分辨率会极大地降低。为此,天文学家想出了一个“迂回”的办法:以天上某处的亮星发出的光波为标准,观测该光波通过大气后会产生的畸变,再控制变形镜来校正该畸变,就可以看到该处星空的清晰图像,这颗作为光波标准的亮星称为“信标”。

  对于大型地基光学望远镜来说,天上亮度足够作为信标的自然亮星数量很少,导致能够看清晰的星空区域很有限,为了能清晰地观测更广阔的星空,天文学家又想出用“激光钠信标”的办法,即从地面发射一束黄色激光,来激发海拨约100公里高空中的钠原子发出很强的荧光,从地面看就像颗人造亮星,称为“钠导引星”或“钠信标”。

  “点亮钠原子的目的,是为使大型天文望远镜看得更远、更清楚。目前,钠信标激光设备已成为包括TMT(美国三十米口径望远镜)在内的大型望远镜的核心关键设备之一。”彭钦军说,然而,这项技术难就难在怎么能让钠原子“亮”起来,而且亮度越高越好。“这要满足两个技术条件:一是钠原子的谱线特别窄,而且还是包含两个峰的谱型,要点亮钠原子,就要让激光波长非常精准地对准钠原子谱线,并且把所有能量都集中在这个极窄的谱线缝里,还要匹配钠原子谱线的双峰谱型,匹配度越高,亮度就越高,就好比‘两个针尖要分别精确对准两个麦芒’”。

  “二是要在极窄的谱线内产生高功率、高光束质量的激光输出,使钠信标激光经过大气传输100公里到达钠层时,仍保持较小光斑与足够高的功率,才能产生很亮的钠导引星。这两方面的性能要求高、技术难度大,国际上一直未能获得突破。”项目研究团队的另一位骨干成员薄勇研究员接过话头。

  为此,研究团队埋头钻研了13年。首先研究了称为第一代的连续波激光钠信标,取得了重要进展,2006年,彭钦军研究员提出瞄准国际前沿,直接发展更先进的被称为第二代的微秒脉冲激光钠信标,通过一系列自主创新技术,研究团队解决了钠导引星激光性能要求全面而苛刻的技术难题,研制出了国际首台双峰谱型匹配的微秒脉冲钠导引星激光系统,2010年激光功率突破30瓦,综合指标达到国际领先水平,并于2011年获得应用,应用过程中技术水平不断提高,2012年平均功率达50瓦,2014年平均功率突破100瓦,综合指标持续保持国际领先。

  该技术成功应用于国内主要大型光学望远镜:国台2.16米、云台1.8米等,使其升级为具有最先进钠导引星的自适应光学望远镜,成像分辨率获显著提升达5倍以上,为原来不能开展的天文与物理国际前沿问题提供了新手段,如精确测量哈勃常数、揭示宇宙演化规律等。还为我国发展更大口径如4米、10米等的地基光学望远镜储备了核心技术。不仅如此,这项技术还成功应用于美国TMT与加拿大UBC天文台等国外科技最强国家的大型光学望远镜。

  国内在丽江站首次产生了钠导引星,随后获得了国际最亮的微秒脉冲钠导引星,达到6.5星等(人眼可见的星星亮度约为6—7星等),并国内首次实现对恒星的自适应光学校正,在J波段达1.7倍衍射极限;国外在加拿大UBC天文台获得了钠导引星回波光子数超过TMT需求的2倍多,被TMT评价为“重大里程碑,巨大成功”、“处于激光钠导引星国际领先地位”。

  “中科院理化所已掌握高功率钠信标激光器技术”,加速了国际大型地基自适应天文望远镜的发展,TMT向美国国防技术安全局(DTSA)提出了如是论断,自此打破该技术对中国的禁运。

  “在国际最先进的望远镜上装备中国的关键仪器设备,能极大提升我国的科技影响力。”彭钦军说,“自此,可以说我国的大型地基天文望远镜跨入了自适应光学望远镜时代,对空间目标的探测能力也大大提升;并且,这项技术还开拓了应用领域,推动了可精密调谐的高功率、窄线宽激光等领域的技术进步。”

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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