YaChudo

Лазерна штучна зоря

Переглядів: 0. Оновлено 05.11.2026.

Лазерна система для створення штучної зорі в обсерваторії Паранал.

Лазерна штучна зоря — штучне зображення зорі, створене для систем адаптивної оптики, які використовують у великих телескопах для виправлення спотворень світла атмосферою Землі (так зване астрономічне бачення). Системи адаптивної оптики потребують еталонного джерела хвильового фронту, яке називають опорною зорею. Для цієї мети можна використовувати природні зорі, однак достатньо яскраві зорі трапляються не в усіх ділянках неба, що обмежує можливості адаптивної оптики. Щоб подолати це обмеження, штучну опорну зорю створюють, спрямовуючи лазер в атмосферу Землі. Світло лазерного променя відбивається компонентами верхніх шарів атмосфери й повертається до телескопа. Таку зорю можна створити практично в будь-якому напрямку, куди спрямований телескоп, що значно розширює доступ адаптивної оптики до різних ділянок неба.

Типи

Лазерна штучна зоря — це точка над видимим кінцем лазерного променя.

Існують два основні типи лазерних штучних зір: натрієві та релеївські.

Перший 22-ватний натрієвий лазер Toptica для комплексу Adaptive Optics Facility[1]

Натрієві штучні зорі створюють за допомогою лазера, налаштованого на довжину хвилі 589,2 нм, який збуджує атоми в натрієвому шарі мезосфери на висоті близько 90 км. Після цього атоми натрію повторно випромінюють лазерне світло, утворюючи яскраву штучну зорю. Той самий атомний перехід натрію використовують у натрієвих лампах для вуличного освітлення.

Релеївські штучні зорі ґрунтуються на розсіюванні світла молекулами нижніх шарів атмосфери. Порівняно з натрієвими, релеївські штучні зорі значно простіші й дешевші, однак забезпечують менш якісний еталон хвильового фронту, оскільки штучне джерело формується набагато нижче в атмосфері. Такі лазери часто працюють в імпульсному режимі, а вимірювання атмосфери виконують із часовою затримкою (через кілька мікросекунд після випромінювання імпульсу, щоб ігнорувати світло, розсіяне біля поверхні Землі, і реєструвати лише світло, яке встигло пройти високо в атмосферу та повернутися назад).

Технологія

Один із телескопів для запуску лазера на Дуже великому телескопі[2]

Лазери на барвниках були першими джерелами лазерного випромінювання, які використовували для створення лазерних штучних зір[3][4][5][6]. Ці переналаштовувані лазери й надалі відіграють важливу роль у цій галузі[7][8], хоча деякі дослідники вважають використання рідких активних середовищ їхнім недоліком[9]. До другого покоління лазерів для натрієвих штучних зір належать твердотільні лазери зі змішуванням сумарної частоти[10]. З 2005 року розробляють лазерні системи третього покоління, засновані на перебудовуваних діодних лазерах із подальшим вузькосмуговим раманівським волоконним підсиленням і резонансним перетворенням частоти. Починаючи з 2014 року на ринку з'явилися повністю готові до використання системи[11]. Важливими характеристиками вихідного випромінювання згаданих тут переналаштовуваних лазерів є дифракційно-обмежена розбіжність пучка та вузька спектральна ширина лінії випромінювання[6].

Для натрієвих лазерних опорних зір необхідно подолати три основні труднощі: ларморову прецесію, віддачу та насичення переходу[12]. Ларморова прецесія, тобто прецесія атомів натрію в геомагнітному полі (точніше, прецесія квантованого вектора повного атомного кутового моменту), зменшує інтенсивність флуоресценції лазерної опорної зорі, оскільки змінює кутовий момент атома ще до встановлення циклічного дворівневого переходу, який виникає завдяки оптичному накачуванню світлом із круговою поляризацією. Віддача під час спонтанного випромінювання, що передає атомові імпульс, спричиняє червоне зміщення лазерного світла відносно атома. Унаслідок цього атом більше не може поглинати лазерне світло й, відповідно, перестає флуоресціювати. Насичення переходу полягає у зменшенні кількості атомів у стані з більшим кутовим моментом (F=2) та їх переході до стану з меншим кутовим моментом (F=1), що призводить до зміни довжини хвилі поглинання[12].

Історія

Приклад штучної опорної зорі.

Вважають, що натрієву лазерну опорну зорю для використання в адаптивній оптиці з метою компенсації атмосферних спотворень винайшов 1982 року фізик із Принстонського університету Вільям Геппер у межах Стратегічної оборонної ініціативи, однак на той час ця розробка була засекречена[13].

Станом на 2006 рік лише дві системи адаптивної оптики з лазерними опорними зорями регулярно використовували для наукових спостережень, а їхні результати публікували в рецензованій науковій літературі: системи в Лікській і Паломарській обсерваторіях у Каліфорнії та в обсерваторії Кека на Гаваях. Утім уже тоді системи лазерних опорних зір розробляли для більшості великих телескопів. На телескопі Вільяма Гершеля, Дуже великому телескопі та Джеміні-Північ уже випробовували лазери під час реальних спостережень, хоча вони ще не працювали в регулярному режимі. Станом на 2006 рік системи лазерної адаптивної оптики також розробляли для Великого бінокулярного телескопа та Великого телескопа Канарських островів. Система лазерної опорної зорі на Дуже великому телескопі розпочала регулярні наукові спостереження в червні 2007 року[14].

Із квітня 2016 року[15] на Дуже великому телескопі в Європейській південній обсерваторії встановлено комплекс 4 Laser Guide Star Facility (4LGSF)[16], який став новою підсистемою комплексу Adaptive Optics Facility (AOF)[17]. Він випромінює в небо 4 лазерні промені, які створюють 4 штучні зорі, забезпечуючи точнішу корекцію й розширюючи кореговане поле зору[18][19]. Система 4LGSF також допомагала випробовувати обладнання для Надзвичайно великого телескопа[20], який теж матиме аналогічну систему для підтримки адаптивної оптики. Із грудня 2025 року три інші одиничні телескопи обсерваторії Паранал також оснастили окремими лазерами. Це дало змогу використовувати адаптивну оптику з лазерними опорними зорями для інтерферометра Дуже великого телескопа, що суттєво підвищило його чутливість і збільшило доступну для спостережень ділянку неба[21].

Примітки

  1. ↑ Powerful New Laser Passes Key Test. ESO. Процитовано 2 квітня 2014.
  2. ↑ VLT's New Laser Launchers Arrive at ESO. ESO Announcement. Процитовано 22 лютого 2012.
  3. ↑ Everett, Patrick N. (1989). 300-Watt dye laser for field experimental site. Proceedings of the International Conference on Lasers '88: 404—9. Bibcode:1989lase.conf..404E. OCLC 20243203. OSTI 5416850.
  4. ↑ Primmerman, Charles A.; Murphy, Daniel V.; Page, Daniel A.; Zollars, Byron G.; Barclay, Herbert T. (1991). Compensation of atmospheric optical distortion using a synthetic beacon. Nature. 353 (6340): 141—3. Bibcode:1991Natur.353..141P. doi:10.1038/353141a0. S2CID 4281137.
  5. ↑ Bass, Isaac L.; Bonanno, Regina E.; Hackel, Richard P.; Hammond, Peter R. (1992). High-average-power dye laser at Lawrence Livermore National Laboratory. Applied Optics. 31 (33): 6993—7006. Bibcode:1992ApOpt..31.6993B. doi:10.1364/AO.31.006993. PMID 20802559.
  6. ↑ а б Duarte F. J. (2001). Multiple-Return-Pass Beam Divergence and the Linewidth Equation. Applied Optics. 40 (18): 3038—41. Bibcode:2001ApOpt..40.3038D. doi:10.1364/AO.40.003038. PMID 18357323.
  7. ↑ Pique, Jean-Paul; Farinotti, Sébastien (2003). Efficient modeless laser for a mesospheric sodium laser guide star. Journal of the Optical Society of America B. 20 (10): 2093—101. Bibcode:2003JOSAB..20.2093P. doi:10.1364/JOSAB.20.002093.
  8. ↑ Wizinowich, Peter L.; Le Mignant, David; Bouchez, Antonin H.; Campbell, Randy D.; Chin, Jason C. Y.; Contos, Adam R.; Van Dam, Marcos A.; Hartman, Scott K. та ін. (2006). The W. M. Keck Observatory Laser Guide Star Adaptive Optics System: Overview (PDF). Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 118 (840): 297—309. Bibcode:2006PASP..118..297W. doi:10.1086/499290.
  9. ↑ Comaskey, Brian; Ault, Earl; Kuklo, Thomas (6 листопада 2003), High average power laser gain medium with low optical distortion using a transverse flowing liquid host, процитовано 19 березня 2016
  10. ↑ D'Orgeville, Céline; Fetzer, Gregory J. (2016). Four generations of sodium guide star lasers for adaptive optics in astronomy and space situational awareness. Adaptive Optics Systems V. Т. 9909. SPIE. Bibcode:2016SPIE.9909E..0RD. doi:10.1117/12.2234298. ISBN 9781510601970.
  11. ↑ SodiumStar 20/2 – High Power CW Tunable Guide Star Laser (PDF). www.toptica.com. TOPTICA Photonics AG. Процитовано 28 травня 2019.
  12. ↑ а б D. Bonaccini Calia D. Budker J. M. Higbie W. Hackenberg R. Holzlohner, S. M. Rochester. Optimization of CW sodium laser guide star efficiency. Astronomy and Astrophysics, 510, 2010.
  13. ↑ Olivier, S. S.; Max, C. E. (1994). Laser Guide Star Adaptive Optics: Present and Future. Very High Angular Resolution Imaging. Т. 158. с. 283. Bibcode:1994IAUS..158..283O. doi:10.1007/978-94-011-0880-5_48. ISBN 978-0-7923-2633-5. OSTI 10185303. S2CID 115762227.
  14. ↑ Markus Kasper; Stefan Stroebele; Richard Davies; Domenico Bonaccini Calia (13 червня 2007). Free from the Atmosphere – Laser Guide Star System on ESO's VLT Starts Regular Science Operations. ESO for the public. ESO. Процитовано 2 червня 2011.
  15. ↑ Four Lasers Over Paranal. European Southern Observatory. Процитовано 27 квітня 2016.
  16. ↑ Very Large Telescope – The world's most advanced visible-light astronomical observatory. European Southern Observatory.
  17. ↑ Adaptive Optics. European Southern Observatory.
  18. ↑ ESO Signs Technology Transfer Deal. ESO announcement.
  19. ↑ Laser Guide Star Units Accepted and Shipped to Chile. ESO announcement.
  20. ↑ The European Extremely Large Telescope – The world's biggest eye on the sky. European Southern Observatory.
  21. ↑ https://www.eso.org/public/news/eso2519

Посилання

Джерело: стаття у Вікіпедії та історія редагувань (автори).