激光导星开启人类“造星术”
引来一束强激光束激发大气中的钠原子，就能在遥远的空中看到发出共振荧光的星星，这不是科幻大片中的桥段，而是人类借助激光导星“修炼”成的“造星术”。欧洲南方天文台旗下的帕拉纳天文台就曾使用四道强大的激光光束刺破宁静的夜空，在天空中造出了一颗明亮的人造星星。通过这种方式为未来天文观测研究提供重要参数的就是激光导星。
太空观景“明目镜”应运而生
激光导星是帮助大型望远镜修正误差、看透湍动的大气层并目睹清晰太空景象的“明目镜”，主要包括激光瑞利导星和激光钠导星两种，其中尤其以激光钠导星得到了广泛的研究和应用。激光钠导星主要利用强激光激发海拔高度约90公里电离层内的钠原子，进而利用钠原子发出的共振荧光形成星星。激光钠导星生成高度高、亮度好，可用于自适应光学系统中大气湍流的光学矫正，在空间目标识别、空间激光通信和激光武器等领域都有着重要的应用前景。
激光导星的出现源自光学应用的迫切需求。诞生于400多年前的光学望远镜，目前已成为人类探索宇宙奥秘最为重要的科学工具之一。天文观测要求望远镜不断提高分辨率和灵敏度，因此望远镜的口径也是越做越大，但这并不意味着大“肚量”的望远镜就能看得更清晰。大型地基望远镜在对天观测时，大气扰动会使星光出现波前畸变，直接导致望远镜的实际分辨率大幅度下降。解决这一问题的方法就是通过发展自适应光学技术修正大气带来的波前畸变，使望远镜达到近衍射极限分辨率这一“视力极限”。
因此，自20世纪80年代以来，人类的“观天巨眼”进入到自适应光学望远镜时代。要想实现望远镜的自适应，就必须以观测目标附近的亮星作为导引星，来修正由波前畸变造成的成像误差。早期使用的导引星多为诸如天狼星等自然亮星，但并非每时每刻都能找到足够明亮的导引星体，一个人类自造星象的大胆设想就此形成。激光钠导星就是利用强激光去激发90公里高空的钠原子层，迫使钠原子发光形成人造导引星。这类人造导引星的优势就在于它可放置在任意一个望远镜想观测的位置，进一步扩大了自适应光学望远镜的观测范围。同时，反射回来的激光不会像宇宙星体发出的光线那样易受大气的扰动，只要使用可变形镜等光学设备就可保证天文成像的稳定，获得更清晰的观测图像。
人工造星并不容易
激光导星这一技术构想由美国于20世纪80年代首次提出，最开始的设想是研制出激光瑞丽导引星。瑞丽导引星主要利用海拔高度20公里之内的大气分子对可见光波段的激光形成瑞利散射的原理，较为经济简单，但由于高度较低不能给出较好的大气参考参数值，因而多用于低层大气的参数校正。随后，一举跃升至海拔高度90公里的激光钠导星应运而生。激光钠导星的诞生源自美国在研制望远镜自适应光学系统时的秘密研究项目，在1982年普林斯顿大学首次提出并由麻省理工学院进行实验验证后，这一秘密很快就“纸里包不住火”。1985年，法国科学家根据高分辨率自适应天文望远镜的技术需求，也提出了钠导星这一技术方案并将其公之于众，随后德国、日本、英国、俄罗斯等世界科技巨头相继加入到激光钠导星研究“俱乐部”之中，进而推动了钠导引星相关技术的快速发展。激光钠导星采用的是与城市路灯发光近乎相同的原理，由大气电离层中的钠原子发出强烈的背向荧光谱线，已经实现全程对大气带来的干扰进行很好地校正，使光学望远镜可以达到近衍射极限的极高分辨率。目前，激光钠导星主要分为连续波和微妙脉冲两种，其中微妙脉冲钠导引星兼具高信噪比和高亮度等突出特点，被誉为天文学界的“先进导星”。
事实上，激光钠导星看似原理简单，实际实现起来技术难度极大，早就成为激光技术研究领域的国际热点和难点之一。目前，激光钠导星的主要技术路线包括染料激光、固体激光变频和光纤激光变频三个主要方案。最先被应用的染料激光方案由于维护使用不便，近年来已渐渐淡出人们的视野。固体激光变频技术因功率高、体积小、结构紧凑、稳定性好、寿命长和使用方便等诸多优势，已成为钠导星“造星”成功的技术主流。此外，近年来兴起的光纤激光变频技术相比于固体激光变频技术“青出于蓝”，更加高效、紧凑、易用，代表着钠导星发展的未来方向。
技术较量渐引“群雄逐鹿”
围绕着激光钠导星的技术探索和工程研发，早已形成了“群雄逐鹿”的大国科技较量格局。在连续波激光钠导星研制领域，美国空军实验室于2003年首次实现了22.5瓦的激光导星输出，并陆续应用到Gemini望远镜上。此外，光纤激光钠导星目前也成为欧洲南方天文台甚大望远镜(VLT)的重要组成部分，四台激光导星设备能够分别产生22瓦功率的强大激光束。在脉冲激光钠导星领域，美国麻省理工学院堪称“技术领军人”，其与芝加哥大学的相关技术方案已经应用于Palomar望远镜系统中。同时，日本探索的皮秒脉冲运转激光钠导星实现了10瓦级激光输出，并在Subaru望远镜上产生了亮度可达13.9等星的钠导引星。我国也于2003年开始微妙脉冲激光钠导星的研究工作，目前已经在云南丽江站实现了亮度可达8.7等星的钠导引星。2014年，进一步优化后的云南丽江望远镜上实现了对恒星的钠导引星自适应光学实时闭环校正，获得了极高分辨率的天文成像，这其中钠导星发挥的作用自然功不可没。
除天文观测外，星地激光通信、空间目标识别、空间碎片激光跟踪与清理以及激光武器的战术应用等都同样受到大气湍流的制约，同样需要激光导星自适应光学为其补偿波前畸变等误差。美国空军实验室之所以积极参与激光钠导星的研制工作，正是看到了其在未来空天军事应用上的巨大潜力。波音公司就与美国空军实验室在科特兰空军基地星火光学靶场的望远镜上搭建了自行研制的钠导星激光器，将极大增强美国空军获取地球轨道内更详尽目标数据的能力，为增强太空态势感知提供了尤为关键的重要一步。随着相关技术的发展，未来激光钠导星将向着星群自适应光学、多色钠导引星和数微秒脉冲钠导引星的技术方向发展，势必助力自适应光学天文望远镜看得更清、看得更远！
来源：学习时报
新闻推荐
在漆黑的山路上，一个少年骑着单车在前面走，一辆汽车在后面缓慢跟着，用车灯照亮少年回家的路。突然，少年停下车，私家车也停住。少年停好车，对着私家车司机鞠了个躬，再返身骑上车继续前行……司机将这段视...