TOPTICA的天文气象产品钠导星激光系统

2018-12-03 14:00

激光可以用于各种各样的应用研究，对象从纳米尺度到宏观尺寸，甚至是星系和宇宙的物体。例如，优化地球望远镜空间分辨率的人造导星。这些人造导星可以使用TOPTICA的钠导星SodiumStar激光系统。还有一些研究地球大气层的应用依赖于最先进的激光技术。例如，激光雷达使用激光测量各种参数，如距离、压力、温度、湿度、气体浓度等。

南方天文台（ESO）与Toptica的SodiumStar激光系统

历史悠久的天文学自诞生以来就是一门实测与理论结合极为紧密的学科，看得更深远、更清晰就成为天文望远镜发展的永恒目标。尽管地基望远镜的口径在不断增大，但在实际观测时，望远镜的分辨能力却由于上空大气湍流的限制而达不到理论所预测的衍射极限。为了获得衍射限制图像，一种方法是将望远镜安装在地球大气层之上，如哈勃太空望远镜。但是太空望远镜受限于火箭的运输尺寸、重量和预算的限制。为此自适应光学系统（Adaptive Optics ，AO）的出现在一定程度上解决了上述问题，作为望远镜整个系统当中的波前校正系统，让大口径地基望远镜第一次能够在地面上实现衍射极限观测。但单纯依赖自然导星进行校正的自适应光学系统应用非常受限。为了提高自适应光学系统的天空覆盖率，作为自适应光学的参考对象激光导星（LaserGuide Star，LGS）应运而生，根据激光导星的生成机理，LGS主要分为两种：一种利用激光与15 km 高度以下的底层大气中气体分子与激光之间的瑞利散射生成激光导星，称为瑞利激光导星。另一种利用589．19 nm的钠激光共振激发处于高空90—110 km高度的游离态的钠原子产生共振荧光作为激光导星，称为钠激光导星。

到目前为止，钠激光导星已经通过染料激光器或固态激光器的和频实现，但这两种方法在光输出功率上都有限制，维护要求极高。为了激发中间层中的钠原子，需要一种匹配钠的超细结构并与钠原子共振的强激光。TOPTICA的SodiumStar系统是一种高功率“导星”激光器，用于地面望远镜的自适应光学控制，是一种紧凑型、工作可靠、交钥匙系统，功率为589 nm，输出功率为20W，线宽小于5MHz，具有30GHz的可调谐性。它是一种坚固耐用的工业激光器，可以远程操作，甚至可以承受望远镜所在高海拔地区的恶劣环境。该系统使用1178nm窄谱二极管激光器（DL DFB）作为种子光，新颖的窄带拉曼光纤放大器放大和外腔共振倍频为589nm。拉曼放大原理是基于种子激光器和光纤内的宽带泵浦激光器之间的三阶非线性效应。激光低频“种子”光子诱导较高频率的“泵”光子的非弹性拉曼散射，从而在种子激光器的频率侧产生另一个光子。在过去几年中，窄带拉曼放大技术最初是ESO（欧洲南方天文台）研发的，其线宽仅限于种子激光器的线宽，目前其专利成果已转移至德国Toptica公司。

欧洲南方天文台（ESO）与德国Toptica公司合作，取得了一系列重大进展。其超大望远镜（Very Large Telescope，VLT）在750nm实现1角分视场内分辨率2倍的提高。相对于传统自适应光学复杂的点扩散函数PSF，近地层自适应光学系统GLAO的PSF稳定、易测，有利于后续的观测数据处理。其所带来的信噪比提高4—9倍，同时提高了望远镜的观测效率和观测深度。TOPTICA公司的导星激光器挑战了高度、震动和重力不变等操作，在589纳米的情况下可提供22 W的恒定输出功率。SodiumStar激光系统及其团队获得了由Berthold LeibingerStiftung（前德国机械工程行业协会（VDMA）主席）颁发的2016年激光研究创新奖和美国光学学会的Paul F． Forman团队工程优秀奖。

这种功率可扩展的方法还为其他大功率连续波可见激光的应用提供了解决方案，如激光原子冷却、钠激光雷达、激光图像投影机、激光电视、医学治疗和超分辨率显微镜。DL RFA SHG pro是一种改进的亚MHz线宽版本，作为种子激光器的DL 100 ／ pro设计，具有2W的输出功率，小于1MHz的线宽和20GHz的无模式跳频调谐范围，可用于激光冷却实验。

Toptica SodiumStar激光系统

SodiumStar激光系统参数

另外在激光雷达领域，中高层大气温度和风场是描述中高层大气特性的重要参数，对研究中高层大气潮汐波、重力波、行星尺度波以及波与波之间的相互作用，中高层大气环流和温度结构具有非常重要意义。激光雷达作为一种新型的探测手段逐步成为大气遥感领域不可或缺的工具。高光谱分辨钠激光雷达可同时实现中间层顶区域 80～105km 高度范围内温度和大气风场的探测。目前Toptica激光器用于激光雷达已经在南北两极进行实际应用。