上海光机所在钠激光导引星研究方面取得新进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所在钠激光导引星研究方面取得新进展。空间激光与信息技术研究中心提出一种新的方法，让连续波钠导星激光在左右旋圆偏振态之间以拉莫尔频率周期性切换，实现对钠原子的磁共振抽运。在共振抽运条件下，原本各自为政作拉莫尔进动的高空钠原子同步起来，从而让钠导星激光器部分克服地磁场的影响，有效提升光抽运效果。

大口径地基望远镜是观测宇宙的有力工具，其高空间分辨率的实现依赖于自适应光学系统对大气湍流引起的成像畸变的实时修正。导引星是自适应光学系统的关键部分，广泛采用的方法是用黄色激光激发90公里高空大气中间层顶自然存在的钠原子层，钠原子发光形成人工导引星。导引星的亮度是决定自适应光学性能的重要参数，普遍采用圆偏振激光以提高回波效率。但是，在地磁场环境中，吸收圆偏振光的钠原子会绕着磁场作拉莫尔进动，大大削弱光抽运的效果。在地磁场与激光束夹角较大时尤其严重，而天文观测中此夹角普遍介于60°到90°之间。

为克服地磁场的影响，有研究人员提出采用拉莫尔进动重复频率的脉冲激光进行共振抽运的方法，使得激光总是在进动周期的一个固定时间点与原子相互作用。但是，这样的钠导星激光器技术难度大，尚未见报道。上海光机所科研人员提出的方法易行且有效，两种方法实现方式的区别是：把进动的钠原子比拟为秋千，脉冲方法相当于周期性给秋千一个推力，而偏振切换方法相当于周期性地推和拉动秋千。

以欧洲南方天文台（ESO）在Paranal的激光导星系统为例进行了数值模拟，结果显示在激光与地磁场夹角大于60°情况下，即多数天文观测场景下，回波通量有所增大，夹角为90°时回波通量提高约50%。该方法只需在光路中加一个偏振转换装置即可实现亮度提升，可以直接用于升级现有的连续波钠导星激光系统，如ESO安装在智利的VLT望远镜、美国空军实验室的星火靶场和位于夏威夷州的Keck望远镜等的导星激光系统。

相关工作发表在Scientific Reports 杂志上[Sci. Rep. 6, 19859 (2016)]，随后被国际光学与激光媒体optics.org（http://optics.org/news/7/2/8）和Laser Focus World（2016年第3期）报道。

图1.偏振转换共振抽运钠原子原理示意图 

图2.(a) 不同偏振条件、不同光强下的回波通量模拟结果；(b) 激光强度为10W/m2，再泵浦比例为0.1时，不同激光与磁场夹角下的回波通量。其中CP表示连续圆偏振，PS代表偏振转换。