走進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。
“這是在云南天文臺麗江站，配備微秒脈沖鈉導(dǎo)引星激光系統(tǒng)時拍攝的。”彭欽軍介紹。
在中科院理化所，有一群致力于用激光造星星、觀測星星的人，從2003年起，這個以許祖彥院士為學(xué)術(shù)指導(dǎo)，彭欽軍研究員、薄勇研究員為骨干的研究團隊，就開始搗鼓“鈉信標激光器”，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：點亮天空中最亮的星——人造恒星
受大氣擾動的強烈影響，天文學(xué)家使用大型地基望遠鏡觀察星空，就像透過有波浪的水看水中的魚一樣——看到的物體與實物相比發(fā)生模糊變形，望遠鏡的成像分辨率會極大地降低。為此，天文學(xué)家想出了一個“迂回”的辦法：以天上某處的亮星發(fā)出的光波為標準，觀測該光波通過大氣后會產(chǎn)生的畸變，再控制變形鏡來校正該畸變，就可以看到該處星空的清晰圖像，這顆作為光波標準的亮星稱為“信標”。
對于大型地基光學(xué)望遠鏡來說，天上亮度足夠作為信標的自然亮星數(shù)量很少，導(dǎo)致能夠看清晰的星空區(qū)域很有限，為了能清晰地觀測更廣闊的星空，天文學(xué)家又想出用“激光鈉信標”的辦法，即從地面發(fā)射一束黃色激光，來激發(fā)海撥約100公里高空中的鈉原子發(fā)出很強的熒光，從地面看就像顆人造亮星，稱為“鈉導(dǎo)引星”或“鈉信標”。
“點亮鈉原子的目的，是為使大型天文望遠鏡看得更遠、更清楚。目前，鈉信標激光設(shè)備已成為包括TMT(美國三十米口徑望遠鏡)在內(nèi)的大型望遠鏡的核心關(guān)鍵設(shè)備之一。”彭欽軍說，然而，這項技術(shù)難就難在怎么能讓鈉原子“亮”起來，而且亮度越高越好。“這要滿足兩個技術(shù)條件：一是鈉原子的譜線特別窄，而且還是包含兩個峰的譜型，要點亮鈉原子，就要讓激光波長非常精準地對準鈉原子譜線，并且把所有能量都集中在這個極窄的譜線縫里，還要匹配鈉原子譜線的雙峰譜型，匹配度越高，亮度就越高，就好比‘兩個針尖要分別精確對準兩個麥芒’”。
“二是要在極窄的譜線內(nèi)產(chǎn)生高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出，使鈉信標激光經(jīng)過大氣傳輸100公里到達鈉層時，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，國際上一直未能獲得突破。”項目研究團隊的另一位骨干成員薄勇研究員接過話頭。
為此，研究團隊埋頭鉆研了13年。首先研究了稱為第一代的連續(xù)波激光鈉信標，取得了重要進展，2006年，彭欽軍研究員提出瞄準國際前沿，直接發(fā)展更先進的被稱為第二代的微秒脈沖激光鈉信標，通過一系列自主創(chuàng)新技術(shù)，研究團隊解決了鈉導(dǎo)引星激光性能要求全面而苛刻的技術(shù)難題，研制出了國際首臺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，綜合指標達到國際領(lǐng)先水平，并于2011年獲得應(yīng)用，應(yīng)用過程中技術(shù)水平不斷提高，2012年平均功率達50瓦，2014年平均功率突破100瓦，綜合指標持續(xù)保持國際領(lǐng)先。
該技術(shù)成功應(yīng)用于國內(nèi)主要大型光學(xué)望遠鏡：國臺2.16米、云臺1.8米等，使其升級為具有最先進鈉導(dǎo)引星的自適應(yīng)光學(xué)望遠鏡，成像分辨率獲顯著提升達5倍以上，為原來不能開展的天文與物理國際前沿問題提供了新手段，如精確測量哈勃常數(shù)、揭示宇宙演化規(guī)律等。還為我國發(fā)展更大口徑如4米、10米等的地基光學(xué)望遠鏡儲備了核心技術(shù)。不僅如此，這項技術(shù)還成功應(yīng)用于美國TMT與加拿大UBC天文臺等國外科技最強國家的大型光學(xué)望遠鏡。
國內(nèi)在麗江站首次產(chǎn)生了鈉導(dǎo)引星，隨后獲得了國際最亮的微秒脈沖鈉導(dǎo)引星，達到6.5星等(人眼可見的星星亮度約為6—7星等)，并國內(nèi)首次實現(xiàn)對恒星的自適應(yīng)光學(xué)校正，在J波段達1.7倍衍射極限;國外在加拿大UBC天文臺獲得了鈉導(dǎo)引星回波光子數(shù)超過TMT需求的2倍多，被TMT評價為“重大里程碑，巨大成功”、“處于激光鈉導(dǎo)引星國際領(lǐng)先地位”。
“中科院理化所已掌握高功率鈉信標激光器技術(shù)”，加速了國際大型地基自適應(yīng)天文望遠鏡的發(fā)展，TMT向美國國防技術(shù)安全局(DTSA)提出了如是論斷，自此打破該技術(shù)對中國的禁運。
“在國際最先進的望遠鏡上裝備中國的關(guān)鍵儀器設(shè)備，能極大提升我國的科技影響力。”彭欽軍說，“自此，可以說我國的大型地基天文望遠鏡跨入了自適應(yīng)光學(xué)望遠鏡時代，對空間目標的探測能力也大大提升;并且，這項技術(shù)還開拓了應(yīng)用領(lǐng)域，推動了可精密調(diào)諧的高功率、窄線寬激光等領(lǐng)域的技術(shù)進步。”
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