走進(jìn)中科院理化所激光中心彭欽軍研究員的辦公室，最引人注目的是擺在辦公桌上的一張照片：深藍(lán)色的天幕下，一束黃光如利劍般直刺天際，亮麗、耀眼。
“這是在云南天文臺(tái)麗江站，配備微秒脈沖鈉導(dǎo)引星激光系統(tǒng)時(shí)拍攝的。”彭欽軍介紹。
在中科院理化所，有一群致力于用激光造星星、觀(guān)測(cè)星星的人，從2003年起，這個(gè)以許祖彥院士為學(xué)術(shù)指導(dǎo)，彭欽軍研究員、薄勇研究員為骨干的研究團(tuán)隊(duì)，就開(kāi)始搗鼓“鈉信標(biāo)激光器”，并用它在大氣頂層造出了最亮的人造恒星——“鈉導(dǎo)引星”。
理化所激光中心：點(diǎn)亮天空中最亮的星——人造恒星
受大氣擾動(dòng)的強(qiáng)烈影響，天文學(xué)家使用大型地基望遠(yuǎn)鏡觀(guān)察星空，就像透過(guò)有波浪的水看水中的魚(yú)一樣——看到的物體與實(shí)物相比發(fā)生模糊變形，望遠(yuǎn)鏡的成像分辨率會(huì)極大地降低。為此，天文學(xué)家想出了一個(gè)“迂回”的辦法：以天上某處的亮星發(fā)出的光波為標(biāo)準(zhǔn)，觀(guān)測(cè)該光波通過(guò)大氣后會(huì)產(chǎn)生的畸變，再控制變形鏡來(lái)校正該畸變，就可以看到該處星空的清晰圖像，這顆作為光波標(biāo)準(zhǔn)的亮星稱(chēng)為“信標(biāo)”。
對(duì)于大型地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，天上亮度足夠作為信標(biāo)的自然亮星數(shù)量很少，導(dǎo)致能夠看清晰的星空區(qū)域很有限，為了能清晰地觀(guān)測(cè)更廣闊的星空，天文學(xué)家又想出用“激光鈉信標(biāo)”的辦法，即從地面發(fā)射一束黃色激光，來(lái)激發(fā)海撥約100公里高空中的鈉原子發(fā)出很強(qiáng)的熒光，從地面看就像顆人造亮星，稱(chēng)為“鈉導(dǎo)引星”或“鈉信標(biāo)”。
“點(diǎn)亮鈉原子的目的，是為使大型天文望遠(yuǎn)鏡看得更遠(yuǎn)、更清楚。目前，鈉信標(biāo)激光設(shè)備已成為包括TMT(美國(guó)三十米口徑望遠(yuǎn)鏡)在內(nèi)的大型望遠(yuǎn)鏡的核心關(guān)鍵設(shè)備之一。”彭欽軍說(shuō)，然而，這項(xiàng)技術(shù)難就難在怎么能讓鈉原子“亮”起來(lái)，而且亮度越高越好。“這要滿(mǎn)足兩個(gè)技術(shù)條件：一是鈉原子的譜線(xiàn)特別窄，而且還是包含兩個(gè)峰的譜型，要點(diǎn)亮鈉原子，就要讓激光波長(zhǎng)非常精準(zhǔn)地對(duì)準(zhǔn)鈉原子譜線(xiàn)，并且把所有能量都集中在這個(gè)極窄的譜線(xiàn)縫里，還要匹配鈉原子譜線(xiàn)的雙峰譜型，匹配度越高，亮度就越高，就好比‘兩個(gè)針尖要分別精確對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)麥芒’”。
“二是要在極窄的譜線(xiàn)內(nèi)產(chǎn)生高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出，使鈉信標(biāo)激光經(jīng)過(guò)大氣傳輸100公里到達(dá)鈉層時(shí)，仍保持較小光斑與足夠高的功率，才能產(chǎn)生很亮的鈉導(dǎo)引星。這兩方面的性能要求高、技術(shù)難度大，國(guó)際上一直未能獲得突破。”項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)的另一位骨干成員薄勇研究員接過(guò)話(huà)頭。
為此，研究團(tuán)隊(duì)埋頭鉆研了13年。首先研究了稱(chēng)為第一代的連續(xù)波激光鈉信標(biāo)，取得了重要進(jìn)展，2006年，彭欽軍研究員提出瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿，直接發(fā)展更先進(jìn)的被稱(chēng)為第二代的微秒脈沖激光鈉信標(biāo)，通過(guò)一系列自主創(chuàng)新技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)解決了鈉導(dǎo)引星激光性能要求全面而苛刻的技術(shù)難題，研制出了國(guó)際首臺(tái)雙峰譜型匹配的微秒脈沖鈉導(dǎo)引星激光系統(tǒng)，2010年激光功率突破30瓦，綜合指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，并于2011年獲得應(yīng)用，應(yīng)用過(guò)程中技術(shù)水平不斷提高，2012年平均功率達(dá)50瓦，2014年平均功率突破100瓦，綜合指標(biāo)持續(xù)保持國(guó)際領(lǐng)先。
該技術(shù)成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)主要大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡：國(guó)臺(tái)2.16米、云臺(tái)1.8米等，使其升級(jí)為具有最先進(jìn)鈉導(dǎo)引星的自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，成像分辨率獲顯著提升達(dá)5倍以上，為原來(lái)不能開(kāi)展的天文與物理國(guó)際前沿問(wèn)題提供了新手段，如精確測(cè)量哈勃常數(shù)、揭示宇宙演化規(guī)律等。還為我國(guó)發(fā)展更大口徑如4米、10米等的地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡儲(chǔ)備了核心技術(shù)。不僅如此，這項(xiàng)技術(shù)還成功應(yīng)用于美國(guó)TMT與加拿大UBC天文臺(tái)等國(guó)外科技最強(qiáng)國(guó)家的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。
國(guó)內(nèi)在麗江站首次產(chǎn)生了鈉導(dǎo)引星，隨后獲得了國(guó)際最亮的微秒脈沖鈉導(dǎo)引星，達(dá)到6.5星等(人眼可見(jiàn)的星星亮度約為6—7星等)，并國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)對(duì)恒星的自適應(yīng)光學(xué)校正，在J波段達(dá)1.7倍衍射極限;國(guó)外在加拿大UBC天文臺(tái)獲得了鈉導(dǎo)引星回波光子數(shù)超過(guò)TMT需求的2倍多，被TMT評(píng)價(jià)為“重大里程碑，巨大成功”、“處于激光鈉導(dǎo)引星國(guó)際領(lǐng)先地位”。
“中科院理化所已掌握高功率鈉信標(biāo)激光器技術(shù)”，加速了國(guó)際大型地基自適應(yīng)天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展，TMT向美國(guó)國(guó)防技術(shù)安全局(DTSA)提出了如是論斷，自此打破該技術(shù)對(duì)中國(guó)的禁運(yùn)。
“在國(guó)際最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡上裝備中國(guó)的關(guān)鍵儀器設(shè)備，能極大提升我國(guó)的科技影響力。”彭欽軍說(shuō)，“自此，可以說(shuō)我國(guó)的大型地基天文望遠(yuǎn)鏡跨入了自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡時(shí)代，對(duì)空間目標(biāo)的探測(cè)能力也大大提升;并且，這項(xiàng)技術(shù)還開(kāi)拓了應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)了可精密調(diào)諧的高功率、窄線(xiàn)寬激光等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。”
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