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TMT激光导星实验 国产激光器助力顶尖科研装备

行业上下游中国仪表网2015年01月05日 15:02人气:4814

  【中国仪表网 行业上下游】使用大型天文望远镜观测天体是天文爱好者的乐趣,也是推进人类对宇宙的认识的重要手段。为了使望远镜看得更远、更清楚,中科院理化所凭借其研制的“钠信标激光器”在大气顶层造出“钠导引星”,同时开启了他们“制造星星”的伟大事业。

  
  由于天体发出的光经过大气层后,成像质量会降低。大型地基光学望远镜需要利用足够亮的信标光源探测大气扰动的影响,进而作自适应光学校正。而传统的依赖天狼星等亮星作为信标光源,只能看清大约1%天区内的天体。为了清晰地观测更多星体,人们开始研究“激光钠信标”,即点亮钠原子,让589纳米波长黄激光与大气顶层(距地面80至105公里)中的钠原子作用形成“人造星星”,即钠信标。目前,钠信标激光设备已经成为包括三十米望远镜(TMT)在内的大型望远镜的核心关键设备之一。

  
  2014年11月24日-12月17日,中科院国家天文台联合理化所、光电所与三十米望远镜(TMT)项目总部专家一起,在国家天文台兴隆观测站成功进行了系列激光导星联合外场实验。
  
  此次实验,重在检验中科院理化所自主研发的全固态激光钠信标激光器原理样机的物理性能指标,能否满足下一代巨型望远镜TMT的多层共轭自适应光学(MCAO)系统的使用要求。
  
  为了达到实验目的,国家天文台会同理化所、光电所和TMT项目总体部专家,自2010年起组成了联合实验组,开展了多年分工协作。此次在兴隆进行的实验,是对钠激光器原理样机性能能否满足TMT30多项技术指标要求的全面检验,诸多国内外专家都十分期待实验结果。
  
  据介绍,实验中形成人工“导星”的高能激光,由中科院理化所承担的高功率全固态脉冲纳信标激光器发射。这是国产激光器首次在国际顶尖科研装备中应用。新研制的高性能钠导星激光器具备谱线高精度、高平均功率、高光束质量等特点。在光谱方面,激光器波长与钠原子吸收谱线稳定、精确对准,精度达到0.2皮米;在频域方面,激光谱线宽度达到亚GHz。此外,由于其采用1064nm、1319nm固体激光和频技术,科研人员还突破了高功率下两台激光器时域与空域同步技术、激光线宽压窄技术、高效率和频技术等多项难点。
  
  研制多套钠信标激光器及激光导星发射装置,并产生激光导星星群,是国家天文台参与TMT国际天文台建设(2014~2024)实物贡献的两项重要研发任务,是TMT/MCAO系统功能实现的关键,将有助于TMT实现在宽视场范围,改正大气扰动影响,达到30米口径衍射极限分辨率。相较于哈勃空间望远镜,TMT的空间分辨率将提高10倍以上。基于激光导星群的自适应光学,是今后大型光学—红外天文望远镜技术发展的必然趋势。
  
  其中,TMT激光导星系统是美国、加拿大、日本、中国、印度的国立天文机构联合建造的30米地面大型光学望远镜(TMT)的子系统。TMT的主镜直径为30米,由492面对角直径为1.4米的六角形子镜面拼接组成,可提供9倍于凯克望远镜的集光本领,其图像分辨率也比当前所能达到的最高分辨率高出3倍。根据观测目标和方法的不同,它的探测深度将是当代望远镜的10—100倍,可以观测距离地球130亿光年的宇宙区域景象以及宇宙早期形成的星体和星系,有望帮助科学家在揭示暗物质和暗能量的本质、探测宇宙第一代天体、理解黑洞的形成与生长、探察地外行星等前沿科学领域取得重大突破。
  
  自2009年起,国家天文台和南京天文光学技术所联合长春光机所、成都光电所和理化技术所等单位,同美国、加拿大等著名科研机构携手合作,围绕TMT的主光学系统、激光导引星系统和科学仪器终端系统等核心技术系统开展技术攻关。目前,中国正在进行TMT主镜子镜磨制技术研发、TMT第三镜即科学转向镜系统设计,钠信标激光器和激光导星系统研发、TMT第一代仪器宽场光学摄谱仪(WFOS)与红外多目标光谱仪(IRMS)子任务研发。
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