天文激光器

什么是天文激光器？

激光已成为天文学家必不可少的工具，可以用来更精确地观测天体。 尤其是它们可以比以前更好地拍摄遥远的恒星、星系和其他天体的图像。

激光广泛应用于天文学的多个不同领域。 它们常常应用于提高大型天文望远镜的成像质量和能力的技术。 它们还是引力波探测等天文应用的关键部件。

激光导星

用望远镜拍摄高分辨率天体图像的一个主要限制是地球大气层的模糊效应。 特别是望远镜上方气柱中的湍流和温度变化会扭曲来自天文物体的光的波阵面，从而无法形成完全清晰的图像。

尽可能减少或完全避免这种情况的一种方法是将望远镜放在非常高的山峰上，或者放在太空中。 但是，即使是位于陆地最高山脉上的望远镜，其性能仍然受到所谓“天文宁静度”的严重限制。

天文学家已经开发出一种可最大限度减少天文宁静度问题的方法，那就是自适应光学 (AO)。 它使用望远镜光路中灵活或可变形的镜子来实时调整波前的形状，以校正大气畸变。

自适应光学利用了这样一个原理，即恒星离我们非常遥远，这使它们看起来几乎是产生完美平坦波前的点光源。 这样，我们就能够测量来自恒星的实际波前，并计算它偏离平坦的距离。 然后，此信息反馈给可变形镜，通过改变形状，以校正波前并将其恢复为平坦。

自适应光学系统每秒可以进行数千次调整，以补偿快速变化的大气畸变。 与传统望远镜相比，这会产生更清晰、细节更丰富的天体图像。

但是 AO 系统需要一颗相当明亮的恒星才能正常工作。 而实际上在望远镜在天空中指向的位置，视野范围内不一定有足够亮的恒星。 如果没有，那么可以通过将激光照射到大气中来创造一颗人造导星。 然后，这颗激光导星 (LGS) 就可以用作自适应光学系统的参考波前了。

实际创造 LGS 有两种截然不同的方法，每种方法的实现方式也有很多不同。 一种广泛使用的技术是利用发射波长为 589 nm 的激光来激发存在于大气中约 90 公里高度的钠原子。 钠原子吸收并重新发射激光，形成 LGS。

第二种方法依赖于所谓的“瑞利信标”。这种方法通常使用紫外线激光从大气中约 15 至 25 公里高处的分子产生光散射。 虽然瑞利信标的构造更简单且成本更低，但它们无法提供像钠 LGS 方法一样好的波前参考。 这是因为瑞利信标 LGS 在大气层中的位置要低得多，因此不会经历与来自天体的光完全相同的畸变。 

多望远镜干涉测量

另一种提高望远镜图像质量的方法是加大孔径。 这是因为望远镜越大，光衍射对图像质量的负面影响就越小。 因此，更大的望远镜可以生成细节更丰富、更明亮的图像。

但是，在实际应用方面，我们能建造多大的望远镜是有限制的。 解决这个问题的一种方法是将多个望远镜结合起来，模拟出一个更大分辨率也更高的仪器。

为了将它们的光结合起来，这些望远镜必须在物理层面离得很近。 然后，每个光束必须以极高的精度进行结合。 具体来说，从每台望远镜到复合点的距离必须相同，误差要控制在光波长的几分之一。 可见光的波长约为 0.5 µm。

但是，即使每台望远镜的光路是相同的，热膨胀和振动的实际影响也会在光路中产生很大的时变误差。 为了纠正这个问题，每个望远镜的光路里都使用了“延迟线”。 这使得可以对每个光路的总路径长度进行精细和高度精确的调整，以保持所有距离完全相同。

在组合多个大型望远镜时，有多种不同的使用延迟线的方案。 通常，需要调整导轨上的镜子中反射光束。 使得它们可以沿光轴移动。 改变反射镜的位置可以调整延迟线的长度。

这项技术成功的关键是能够以波长的几分之一（对于可见光来说只有几十纳米）的精度测量镜子的位置。 基于激光的干涉测量为实现这一目标提供了极为理想和灵敏的手段。 通常，它会使用线宽较窄的低功率连续可见波长激光。 这提供了在几米或更长的路径长度上进行干涉测量所需的相干长度。

激光的其他天文学应用

激光在天文学中还有很多其他用途。 例如，激光干涉测量是引力波探测的基础。

激光干涉测量引力波天文台 (LIGO)实际上是位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两个独立天文台），其精度和灵敏度都远远超出以往的水平。

这些设备中都使用一个 L 形干涉仪，其臂长约为 4 公里。 LIGO 灵敏到足以测量两个干涉仪支架之间路径差的变化，这个距离不足质子直径的 1/1000。 这是测量黑洞碰撞时产生的引力波（时空中的小涟漪）的必要条件。

LIGO 实际上包含了相当多的激光器和激光放大器。 干涉仪的主光束由Coherent Mephisto 产生。 之所以选择这种激光器，是因为它使用了非平面环形振荡器 (NRPO)，这是公认的低噪声、窄线宽的连续激光器构造。 Mephisto 的输出要经过几个阶段对其进行放大，降低噪声并稳定频率、功率和横模。

激光也经常用来测量地球到月球的距离。 科学家通过将激光脉冲从阿波罗任务中的三个探测器，以及随后的两个俄罗斯月球车留在月球表面的反光镜阵列上反射回来，来实现这一目标。 用飞行时间或行程时间来计算距离，精度可以达到几毫米。

NASA 的毅力号探测器还将激光器送上了火星。 它使用激光来汽化少量的火星岩石。 这会产生发光的等离子体， 而对这种光进行光谱分析可以揭示岩石的化学成分。

总的来说，激光器在推进天文研究和观测方面发挥着重要作用。它们在未来几年里继续在新技术的发展中发挥关键作用。