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引來一束強激光束激發大氣中的鈉原子，就能在遙遠的空中看到發出共振熒光的星星，這不是科幻大片中的橋段，而是人類藉助激光導星「修鍊」成的「造星術」。不久前，歐洲南方天文台旗下的帕拉納天文台就曾使用四道強大的激光光束刺破寧靜的夜空，在天空中造出了一顆明亮的人造星星。通過這種方式為未來天文觀測研究提供重要參數的就是激光導星。太空觀景「明目鏡」應運而生激光導星是幫助大型望遠鏡修正誤差、看透湍動的大氣層並目睹清晰太空景象的「明目鏡」，主要包括激光瑞利導星和激光鈉導星兩種，其中尤其以激光鈉導星得到了廣泛的研究和應用。激光鈉導星主要利用強激光激發海拔高度約90公里電離層內的鈉原子，進而利用鈉原子發出的共振熒光形成星星。激光鈉導星生成高度高、亮度好，可用於自適應光學系統中大氣湍流的光學矯正，在空間目標識別、空間激光通信和激光武器等領域都有著重要的應用前景。激光導星的出現源自光學應用的迫切需求。誕生於400多年前的光學望遠鏡，目前已成為人類探索宇宙奧秘最為重要的科學工具之一。天文觀測要求望遠鏡不斷提高解析度和靈敏度，因此望遠鏡的口徑也是越做越大，但這並不意味著大「肚量」的望遠鏡就能看得更清晰。大型地基望遠鏡在對天觀測時，大氣擾動會使星光出現波前畸變，直接導致望遠鏡的實際解析度大幅度下降。解決這一問題的方法就是通過發展自適應光學技術修正大氣帶來的波前畸變，使望遠鏡達到近衍射極限解析度這一「視力極限」。因此，自20世紀80年代以來，人類的「觀天巨眼」進入到自適應光學望遠鏡時代。要想實現望遠鏡的自適應，就必須以觀測目標附近的亮星作為導引星，來修正由波前畸變造成的成像誤差。早期使用的導引星多為諸如天狼星等自然亮星，但並非每時每刻都能找到足夠明亮的導引星體，一個人類自造星象的大膽設想就此形成。激光鈉導星就是利用強激光去激發90公里高空的鈉原子層，迫使鈉原子發光形成人造導引星。這類人造導引星的優勢就在於它可放置在任意一個望遠鏡想觀測的位置，進一步擴大了自適應光學望遠鏡的觀測範圍。同時，反射回來的激光不會像宇宙星體發出的光線那樣易受大氣的擾動，只要使用可變形鏡等光學設備就可保證天文成像的穩定，獲得更清晰的觀測圖像。人工造星並不容易激光導星這一技術構想由美國於20世紀80年代首次提出，最開始的設想是研製出激光瑞麗導引星。瑞麗導引星主要利用海拔高度20公里之內的大氣分子對可見光波段的激光形成瑞利散射的原理，較為經濟簡單，但由於高度較低不能給出較好的大氣參考參數值，因而多用於低層大氣的參數校正。隨後，一舉躍升至海拔高度90公里的激光鈉導星應運而生。激光鈉導星的誕生源自美國在研製望遠鏡自適應光學系統時的秘密研究項目，在1982年普林斯頓大學首次提出並由麻省理工學院進行實驗驗證后，這一秘密很快就「紙里包不住火」。1985年，法國科學家根據高解析度自適應天文望遠鏡的技術需求，也提出了鈉導星這一技術方案並將其公之於眾，隨後德國、日本、英國、俄羅斯等世界科技巨頭相繼加入到激光鈉導星研究「俱樂部」之中，進而推動了鈉導引星相關技術的快速發展。激光鈉導星採用的是與城市路燈發光近乎相同的原理，由大氣電離層中的鈉原子發出強烈的背向熒光譜線，已經實現全程對大氣帶來的干擾進行很好地校正，使光學望遠鏡可以達到近衍射極限的極高解析度。目前，激光鈉導星主要分為連續波和微妙脈衝兩種，其中微妙脈衝鈉導引星兼具高信噪比和高亮度等突出特點，被譽為天文學界的「先進導星」。事實上，激光鈉導星看似原理簡單，實際實現起來技術難度極大，早就成為激光技術研究領域的國際熱點和難點之一。目前，激光鈉導星的主要技術路線包括染料激光、固體激光變頻和光纖激光變頻三個主要方案。最先被應用的染料激光方案由於維護使用不便，近年來已漸漸淡出人們的視野。固體激光變頻技術因功率高、體積小、結構緊湊、穩定性好、壽命長和使用方便等諸多優勢，已成為鈉導星「造星」成功的技術主流。此外，近年來興起的光纖激光變頻技術相比於固體激光變頻技術「青出於藍」，更加高效、緊湊、易用，代表著鈉導星發展的未來方向。技術較量漸引「群雄逐鹿」圍繞著激光鈉導星的技術探索和工程研發，早已形成了「群雄逐鹿」的大國科技較量格局。在連續波激光鈉導星研製領域，美國空軍實驗室於2003年首次實現了22.5瓦的激光導星輸出，並陸續應用到Gemini望遠鏡上。此外，光纖激光鈉導星目前也成為歐洲南方天文台甚大望遠鏡（VLT）的重要組成部分，四台激光導星設備能夠分別產生22瓦功率的強大激光束。在脈衝激光鈉導星領域，美國麻省理工學院堪稱「技術領軍人」，其與芝加哥大學的相關技術方案已經應用於Palomar望遠鏡系統中。同時，日本探索的皮秒脈衝運轉激光鈉導星實現了10瓦級激光輸出，並在Subaru望遠鏡上產生了亮度可達13.9等星的鈉導引星。也於2003年開始微妙脈衝激光鈉導星的研究工作，目前已經在雲南麗江站實現了亮度可達8.7等星的鈉導引星。2014年，進一步優化后的雲南麗江望遠鏡上實現了對恆星的鈉導引星自適應光學實時閉環校正，獲得了極高解析度的天文成像，這其中鈉導星發揮的作用自然功不可沒。除天文觀測外，星地激光通信、空間目標識別、空間碎片激光跟蹤與清理以及激光武器的戰術應用等都同樣受到大氣湍流的制約，同樣需要激光導星自適應光學為其補償波前畸變等誤差。美國空軍實驗室之所以積极參与激光鈉導星的研製工作，正是看到了其在未來空天軍事應用上的巨大潛力。波音公司就與美國空軍實驗室在科特蘭空軍基地星火光學靶場的望遠鏡上搭建了自行研製的鈉導星激光器，將極大增強美國空軍獲取地球軌道內更詳盡目標數據的能力，為增強太空態勢感知提供了尤為關鍵的重要一步。隨著相關技術的發展，未來激光鈉導星將向著星群自適應光學、多色鈉導引星和數微秒脈衝鈉導引星的技術方向發展，勢必助力自適應光學天文望遠鏡看得更清、看得更遠！關鍵字：政策法規 | 產業快訊 | 無人機 | 人工智慧 | 王鳳嶺專欄 | 新材料 | 科技前沿應用 | 3D列印 | 創新科技藍海長青智庫