Estrella de guía láser


Una estrella guía láser es una imagen de estrella artificial creada para su uso en sistemas de óptica adaptativa astronómica , que se emplean en grandes telescopios para corregir la distorsión atmosférica de la luz (llamada visión astronómica ). Los sistemas de óptica adaptativa (AO) requieren una fuente de luz de referencia de frente de onda llamada estrella guía . Las estrellas naturales pueden servir como fuentes puntuales para este propósito, pero no hay estrellas suficientemente brillantes disponibles en todas las partes del cielo, lo que limita en gran medida la utilidad de la óptica adaptativa de las estrellas guía naturales . En cambio, uno puede crear una estrella guía artificial haciendo brillar unaláser a la atmósfera . Los componentes de la atmósfera superior reflejan la luz del rayo hacia el telescopio. Esta estrella se puede colocar en cualquier lugar que el telescopio desee apuntar, abriendo cantidades mucho mayores del cielo a la óptica adaptativa.

ESO probó la nueva unidad de estrella guía láser Wendelstein disparando un potente rayo láser a la atmósfera. [1]
Ejemplo de estrella de referencia artificial.

Debido a que el rayo láser es desviado por la vista astronómica en el camino hacia arriba, la luz láser que regresa no se mueve en el cielo como lo hacen las fuentes astronómicas. Para mantener estables las imágenes astronómicas, se debe monitorear una estrella natural cercana en el cielo para poder restar el movimiento de la estrella guía láser usando un espejo inclinado . Sin embargo, esta estrella puede ser mucho más tenue de lo que se requiere para la óptica adaptativa de la estrella guía natural porque se usa para medir solo la punta y la inclinación, y todas las distorsiones de orden superior se miden con la estrella guía láser. Esto significa que muchas más estrellas son adecuadas y una fracción correspondientemente mayor del cielo es accesible.

Uno de los telescopios de lanzamiento para la instalación de estrella guía de cuatro láser VLT. [3]

Hay dos tipos principales de sistemas de estrellas guía láser, conocidos como estrellas guía de baliza de sodio y de Rayleigh.

Las balizas de sodio se crean utilizando un láser ajustado a 589,2 nanómetros para energizar los átomos en la capa de sodio de la mesosfera a una altitud de alrededor de 90 km (56 millas). Los átomos de sodio luego reemiten la luz láser, produciendo una estrella artificial brillante. La misma transición atómica del sodio se utiliza en las lámparas de vapor de sodio para el alumbrado público .

Las balizas de Rayleigh se basan en la dispersión de la luz por las moléculas en la atmósfera inferior. A diferencia de las balizas de sodio, las balizas de Rayleigh son mucho más simples y menos costosas, pero no proporcionan una referencia de frente de onda tan buena, ya que la baliza artificial se genera mucho más abajo en la atmósfera. Los láseres a menudo son pulsados, y la medición de la atmósfera está controlada por tiempo (que tiene lugar varios microsegundos después de que se haya lanzado el pulso, de modo que la luz dispersa a nivel del suelo se ignora y solo la luz que ha viajado durante varios microsegundos hacia la atmósfera y se detecta la espalda).

Los láseres de tinte fueron las primeras fuentes láser utilizadas en aplicaciones de estrellas guía láser. [4] [5] [6] [7] Estos láseres sintonizables han seguido desempeñando un papel importante en este campo. [8] [9] Sin embargo, algunos investigadores han considerado desventajoso el uso de medios de ganancia de fluidos. [10] Las fuentes láser de segunda generación para aplicaciones de estrella guía de sodio incluyen láseres de estado sólido de mezcla de frecuencia suma. [11] Desde 2005 se están desarrollando nuevos sistemas láser de tercera generación basados ​​en láseres de diodos sintonizables con posterior amplificación de fibra Raman de banda estrecha y conversión de frecuencia resonante. Desde 2014, se encuentran disponibles en el mercado sistemas totalmente diseñados. [12] Las características de salida importantes de los láseres sintonizables mencionados aquí incluyen la divergencia del haz de difracción limitada y la emisión de ancho de línea estrecha. [7]

Se cree que la estrella guía láser de sodio para uso en óptica adaptativa para corregir distorsiones atmosféricas fue inventada por el físico Will Happer de Princeton en 1982, como parte de la Iniciativa de Defensa Estratégica , pero fue clasificada en ese momento. [13]

La óptica adaptativa de la estrella guía láser es todavía un campo muy joven, con mucho esfuerzo actualmente invertido en el desarrollo de tecnología. A partir de 2006, solo dos sistemas AO de estrellas guía láser se usaban regularmente para observaciones científicas y han contribuido a los resultados publicados en la literatura científica revisada por pares : los de los Observatorios Lick y Palomar en California y el Observatorio Keck en Hawai . Sin embargo, los sistemas de estrellas guía láser estaban en desarrollo en la mayoría de los telescopios principales, y el Telescopio William Herschel , el Very Large Telescope y Gemini North habían probado láseres en el cielo, pero aún no habían logrado operaciones regulares. Otros observatorios que desarrollan sistemas láser AO a partir de 2006 incluyen el Gran Telescopio Binocular y el Gran Telescopio Canarias . El sistema de estrellas guía láser del Very Large Telescope inició operaciones científicas regulares en junio de 2007. [14]

Potente sistema de estrellas guía láser en el Observatorio Paranal .

Desde abril de 2016, [15] la instalación de 4 estrellas guía láser (4LGSF) se ha instalado en el Very Large Telescope (VLT) de ESO, [16] como un nuevo subsistema de la instalación de óptica adaptativa (AOF). [17] El 4LGSF es un complemento del VLT Laser Guide Star Facility (LGSF). En lugar de un solo rayo láser, el 4LGSF propaga cuatro rayos láser hacia los cielos de Paranal, en el norte de Chile, produciendo cuatro estrellas artificiales al iluminar átomos de sodio ubicados en la atmósfera a 90 km de altitud. Estas cuatro estrellas permiten obtener una mejor corrección en una dirección específica, o ampliar el campo de visión corregido por una óptica adaptativa. Cada láser emite 22 vatios en un diámetro de 30 cm (12 pulgadas). El sistema láser 4LGSF se basa en una tecnología láser de fibra Raman, desarrollada en ESO y transferida a la industria. [18] [19]

La actualización a cuatro láseres con tecnología láser de fibra Raman es necesaria para soportar los nuevos instrumentos en el Observatorio Paranal, [16] como HAWK-I (con GRAAL) [20] y MUSE (con GALACSI). [21] También con el 4LGSF se aumenta la estabilidad, la cantidad de soporte de mantenimiento preventivo y la preparación de un tiempo de ejecución de observación se reducirá considerablemente en comparación con el LGSF, que actualmente usa todavía su láser de colorante original (que se planea reemplazar por un láser de fibra ). El 4LGSF ayuda a los astrónomos a probar dispositivos para el E-ELT , [22] que tendrá un sistema similar para soportar la óptica adaptativa del telescopio. Dada su potencia, las operaciones de 4LGSF siguen un protocolo para evitar cualquier riesgo. El sistema láser está equipado con un sistema automático de evitación de aviones que apaga los láseres si un avión se aventura demasiado cerca de los rayos.

Para las estrellas guía láser de sodio, hay tres desafíos principales que superar: precesión de Larmor, retroceso y saturación de transición. [23] La precesión de Larmor, que es la precesión del átomo de sodio en el campo geomagnético (precisamente, es la precesión del vector de momento angular atómico total cuantificado del átomo), disminuye la fluorescencia atómica de la estrella guía láser cambiando el El momento angular del átomo antes de que se pueda establecer una transición cíclica de dos niveles mediante bombeo óptico con luz polarizada circularmente. El retroceso de la emisión espontánea, que da como resultado una patada de impulso hacia el átomo, provoca un corrimiento al rojo en la luz del láser en relación con el átomo, lo que hace que el átomo no pueda absorber la luz del láser y, por lo tanto, no pueda emitir fluorescencia. La saturación de transición es la despoblación de átomos de un estado de mayor momento angular (F = 2) a un estado de menor momento angular (F = 1), lo que resulta en una longitud de onda de absorción diferente. [23]

  1. ^ "El láser se encuentra con el rayo" . Imagen de la semana de ESO . Observatorio Europeo Austral.
  2. ^ "Potente láser nuevo pasa la prueba clave" . ESO . Consultado el 2 de abril de 2014 .
  3. ^ "Llegan a ESO los nuevos lanzadores láser del VLT" . Anuncio de ESO . Consultado el 22 de febrero de 2012 .
  4. ^ Everett, Patrick N. (1989). "Láser de colorante de 300 vatios para sitio experimental de campo". Actas de la Conferencia Internacional sobre Láseres '88 : 404–9. Código Bibliográfico : 1989lase.conf..404E . OCLC  20243203 . OSTI  5416850 .
  5. ^ Primmerman, Charles A .; Murphy, Daniel V .; Page, Daniel A .; Zollars, Byron G .; Barclay, Herbert T. (1991). "Compensación de la distorsión óptica atmosférica mediante baliza sintética". Naturaleza . 353 (6340): 141–3. Código Bibliográfico : 1991Natur.353..141P . doi : 10.1038 / 353141a0 . S2CID  4281137 .
  6. ^ Bass, Isaac L .; Bonanno, Regina E .; Hackel, Richard P .; Hammond, Peter R. (1992). "Láser de colorante de alta potencia media en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore". Óptica aplicada . 31 (33): 6993–7006. Código Bibliográfico : 1992ApOpt..31.6993B . doi : 10.1364 / AO.31.006993 . PMID  20802559 .
  7. ^ a b Duarte FJ (2001). "Divergencia de haz de paso de retorno múltiple y la ecuación de ancho de línea". Óptica aplicada . 40 (18): 3038–41. Código Bibliográfico : 2001ApOpt..40.3038D . doi : 10.1364 / AO.40.003038 . PMID  18357323 .
  8. ^ Piqué, Jean-Paul; Farinotti, Sébastien (2003). "Láser sin modo eficiente para una estrella guía láser de sodio mesosférico" . Revista de la Sociedad Americana de Óptica B . 20 (10): 2093–101. Código bibliográfico : 2003OSAJB..20.2093P . doi : 10.1364 / JOSAB.20.002093 .
  9. ^ Wizinowich, Peter L .; Le Mignant, David; Bouchez, Antonin H .; Campbell, Randy D .; Chin, Jason CY; Contos, Adam R .; Van Dam, Marcos A .; Hartman, Scott K .; et al. (2006). "El sistema de óptica adaptativa estrella guía láser del observatorio WM Keck: descripción general" (PDF) . Publicaciones de la Sociedad Astronómica del Pacífico . 118 (840): 297–309. Código Bibliográfico : 2006PASP..118..297W . doi : 10.1086 / 499290 .
  10. ^ Comaskey, Brian; Ault, Earl; Kuklo, Thomas (6 de noviembre, 2003), medio promedio de alta ganancia de láser de potencia con baja distorsión óptica utilizando una transversal que fluye anfitrión líquido , recuperada 03/19/2016
  11. ^ D'Orgeville, Céline ; Fetzer, Gregory J. (2016). Cuatro generaciones de láseres de estrellas guía de sodio para óptica adaptativa en astronomía y conciencia de la situación espacial . Sistemas de Óptica Adaptativa V. 9909 . SPIE. Código Bibliográfico : 2016SPIE.9909E..0RD . doi : 10.1117 / 12.2234298 . ISBN 9781510601970.
  12. ^ "SodiumStar 20/2 - Láser estrella guía sintonizable CW de alta potencia" (PDF) . www.toptica.com . TOPTICA Photonics AG . Consultado el 28 de mayo de 2019 .
  13. ^ Olivier, SS; Max, CE "Óptica Adaptativa Estrella Guía Láser: Presente y Futuro". Código bibliográfico : 1994IAUS..158..283O . Cite journal requiere |journal=( ayuda )
  14. ^ Markus Kasper; Stefan Stroebele; Richard Davies; Domenico Bonaccini Calia (13 de junio de 2007). "Free from the Atmosphere - Laser Guide Star System en el VLT de ESO inicia operaciones científicas regulares" . ESO para el público . ESO . Consultado el 2 de junio de 2011 .
  15. ^ "Cuatro láseres sobre Paranal" . Observatorio Europeo Austral . Consultado el 27 de abril de 2016 .
  16. ^ a b "Very Large Telescope - Observatorio astronómico de luz visible más avanzado del mundo" . Observatorio Europeo Austral .
  17. ^ "Óptica adaptativa" . Observatorio Europeo Austral .
  18. ^ "ESO firma un acuerdo de transferencia de tecnología" . Anuncio de ESO .
  19. ^ "Unidades estrella guía láser aceptadas y enviadas a Chile" . Anuncio de ESO .
  20. ^ "HAWK-I - Generador de imágenes de banda K de campo amplio de alta agudeza" . Observatorio Europeo Austral .
  21. ^ "MUSE - Explorador espectroscópico de unidades múltiples" . Observatorio Europeo Austral .
  22. ^ "El telescopio europeo extremadamente grande: el ojo más grande del mundo en el cielo" . Observatorio Europeo Austral .
  23. ^ a b D. Bonaccini Calia D. Budker JM Higbie W. Hackenberg R. Holzlohner, SM Rochester. Optimización de la eficiencia de la estrella guía láser de sodio CW. Astronomía y Astrofísica, 510, 2010.

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