Рамановский лазер Filase на 589 нм: технология для натриевых опорных звезд

Представьте, вы смотрите на далекий спутник или далекую галактику через телескоп с метровым зеркалом. Теоретически вы должны видеть объекты размером в несколько сантиметров на орбите в 500 км от Земли. Но на практике атмосфера превращает изображение в размытое пятно. Турбулентность воздуха искажает световые волны, и даже совершенные оптические системы теряют свои свойства.

Решение этой проблемы существует, и оно связано с лазерами, которые светят в небо.

Особенности атмосферы

Когда свет от далекой звезды проходит через атмосферу Земли, он претерпевает искажения. Разница температур и плотности воздуха на разных высотах создает неоднородности показателя преломления, которые искажают волновой фронт. В результате вместо точечного изображения звезды телескоп получает размытое пятно, а слабые, тусклые объекты, например, далекие галактики или спутники, теряются на фоне шумов.

Параметр, описывающий качество атмосферной оптики, называется параметром Фрида (r0) – это характерный размер турбулентной ячейки. В хороших условиях на Земле r0 составляет от 10 до 20 см. Это означает, что телескопы с апертурой менее 20 см работают на дифракционном пределе, но для всех инструментов большего диаметра разрешение ограничено атмосферой, а не оптикой.

Именно здесь в игру вступает адаптивная оптика (АО). Система измеряет искажения волнового фронта с помощью датчика (например, датчика Шака–Гартмана) и компенсирует их с помощью деформируемого зеркала в замкнутом контуре управления. В результате телескоп с адаптивной оптикой может достичь почти теоретического предела разрешения.

Как работает натриевая опорная звезда

На высоте около 90 км в мезосфере Земли находится слой атомарного натрия. Этот слой возник из-за сгорания метеоров, которые оставляют после себя атомы металлов. Если направить в эту область лазер с длиной волны 589 нм, атомы натрия возбудятся и начнут флуоресцировать – возникнет искусственная звезда.

Телескоп собирает флуоресцентное излучение и использует его для измерения атмосферных искажений. По сути, лазерный луч создает опорную точку, по которой система адаптивной оптики настраивает деформируемое зеркало, компенсируя турбулентность для основного изображения.

Важно, что длина волны 589 нм выбрана не случайно. Атомы натрия имеют две близкие линии поглощения – D2a и D2b. Для эффективного возбуждения лазер должен излучать именно на этих длинах волн, причем ширина линии должна быть очень узкой (мегагерцы), чтобы точно попасть в контур поглощения. Кроме того, для компенсации насыщения и спектрального выгорания применяются специальные методы – частотная модуляция (чирпирование) и уширение линии.

Для генерации излучения на этой сложной для получения длине волны с заданными высокими мощностными, спектральными и пространственными характеристиками были разработаны перспективные лазерные технологии.

Ранние системы базировались на лазерах на красителях и генерации суммарной частоты (SFG), однако лазеры на красителях требуют сложного обслуживания, а также прецизионной синхронизации источников на 1319 и 1064 нм. Это делало лазерные установки громоздкими, сложными и менее надежными.

В качестве альтернативы предлагается волоконное рамановское (комбинационное) усиление затравочного излучения на 1178 нм с последующим удвоением частоты во внешнем резонаторе (или вневолоконным удвоением) до 589 нм. Такой подход позволил создать коммерческие системы мощностью >25 Вт, а также достичь мощности 74 Вт за счет каскадного рамановского усиления при мощности накачки 248 Вт.

В отличие от усиления за счет инверсии населенности, рамановское усиление зависит от интенсивности накачки, а не от накопленной инверсии, что делает его менее подверженным пространственному выжиганию дыр.

Новый продукт: TRS-SF-589 от Filase

Это волоконный рамановский лазер, разработанный специально для систем адаптивной оптики с натриевым маяком. Он обеспечивает узкую ширину линии и высокое качество пучка на длине волны 589 нм.

Ключевые характеристики:

Параметр	Значение
Длина волны	589.159 нм и 589.157 нм (одновременное возбуждение D2a и D2b)
Мощность	> 25 Вт
Ширина линии	< 10 МГц
Качество пучка	M2 < 1.1
Поляризация	> 22 дБ
Стабильность мощности	RMS < 1% @ 6 ч
Режим работы	CW / квазинепрерывный / импульсный
Охлаждение	Воздушное / водяное
Вес	< 50 кг

Особенности:

• Одновременное возбуждение линий D2a и D2b в фиксированном соотношении
• Высокая стабильность направления пучка
• Программное управление с ПК
• Низкое энергопотребление и малый вес

На графиках, сопровождающих продукт, представлены ключевые характеристики:

• Высокая стабильность мощности – RMS < 1% на протяжении 6 часов

• Высокое качество пучка – M² = 1.07, близко к идеальной гауссовой моде

• Возбуждение линий D2a и D2b – спектр флуоресценции натрия

• Натриевое лазерное пятно – распределение интенсивности в фокальной плоскости

Области применения

Лазер TRS-SF-589 предназначен для широкого спектра задач:

• Астрономические наблюдения

Адаптивная оптика на основе натриевых опорных звезд повышает разрешение наземных телескопов и применяется для крупноапертурных инструментов. Системы уже работают на таких объектах, как Очень большой телескоп (VLT) в Чили и обсерватория Кека на Гавайях.

• Трекинг космических объектов

Оптическое наблюдение спутников на геостационарных орбитах (высота около 36 000 км) позволяет различать детали размером в сантиметры, при условии, что адаптивная оптика компенсирует атмосферные искажения. Это открывает возможности для контроля развертывания космических аппаратов, диагностики аномалий и определения ориентации.

• Лазерная связь «спутник–Земля»

Системы оптики свободного пространства – перспективная технология для спутниковых сетей. Она обеспечивает пропускную способность в сотни раз выше радиочастотной связи. Натриевая опорная звезда помогает адаптивной оптике наземной станции сфокусировать передающий луч точно на приемнике спутника, снижая требуемую мощность на порядки.

• Дальнее обнаружение магнитных полей

Спектроскопия атомов натрия в мезосфере позволяет измерять магнитное поле Земли на высоте около 100 км. Метод основан на магнитооптическом резонансе: интенсивность лазера модулируется на частоте, близкой к ларморовской частоте атомов натрия, и по отклику флуоресценции можно определить напряженность магнитного поля. Это дает информацию о солнечных ветрах, движениях воздушных масс и даже изменениях океанических течений.

• Радары для исследования атмосферной мезосферы

Модифицированные версии лазера применяются для зондирования верхних слоев атмосферы – измерения температуры, плотности и динамики натриевого слоя.

Заключение

Разрешение наземных телескопов с адаптивной оптикой на натриевых звездах приближается к разрешению космических телескопов, но без затрат на запуск и обслуживание. Для крупноапертурных телескопов (30–40 метров) это необходимая технология. Кроме того, методы адаптивной оптики открывают новые возможности для спутниковой связи, мониторинга космического мусора и изучения верхних слоев атмосферы.

АО «ЛЛС» является эксклюзивным дистрибьютором Filase в России и странах Таможенного союза и предлагает полную техническую поддержку.

Получить дополнительную информацию, вы можете, обратившись к нашему специалисту:

Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.