Estrela do guia do laser - Laser guide star

O ESO testou a nova unidade estelar guia de laser Wendelstein disparando um poderoso feixe de laser na atmosfera.
Exemplo de estrela artificial de referência.

Uma estrela guia de laser é uma imagem de estrela artificial criada para uso em sistemas óticos adaptativos astronômicos , que são empregados em grandes telescópios para corrigir a distorção atmosférica da luz (chamada visão astronômica ). Os sistemas de óptica adaptativa (AO) requerem uma fonte de luz de referência de frente de onda chamada estrela-guia . Estrelas naturais podem servir como fontes pontuais para este propósito, mas estrelas suficientemente brilhantes não estão disponíveis em todas as partes do céu, o que limita muito a utilidade da óptica adaptativa de estrela guia natural . Em vez disso, pode-se criar uma estrela-guia artificial lançando um laser na atmosfera . A luz do feixe é refletida por componentes na atmosfera superior de volta para o telescópio. Esta estrela pode ser posicionada em qualquer lugar que o telescópio deseje apontar, abrindo muito mais espaço do céu para a óptica adaptativa.

Como o feixe de laser é desviado pela visão astronômica no caminho para cima, a luz do laser que retorna não se move no céu como as fontes astronômicas. Para manter as imagens astronômicas estáveis, uma estrela natural próxima ao céu deve ser monitorada para que o movimento da estrela guia do laser possa ser subtraído usando um espelho inclinado . No entanto, essa estrela pode ser muito mais tênue do que o necessário para a óptica adaptativa de estrela-guia natural porque é usada para medir apenas a ponta e a inclinação, e todas as distorções de ordem superior são medidas com a estrela-guia a laser. Isso significa que muito mais estrelas são adequadas e uma fração correspondentemente maior do céu está acessível.

Tipos

O primeiro laser de sódio TOPTICA de 22 watts do Adaptive Optics Facility
Um dos telescópios de lançamento do VLT Four Laser Guide Star Facility.

Existem dois tipos principais de sistema estelar guia de laser, conhecidos como estrelas-guia de farol de sódio e Rayleigh.

Faróis de sódio são criados usando um laser ajustado para 589,2 nanômetros para energizar átomos na camada de sódio da mesosfera a uma altitude de cerca de 90 km (56 milhas). Os átomos de sódio então reemitem a luz laser, produzindo uma estrela artificial brilhante. A mesma transição atômica do sódio é usada em lâmpadas de vapor de sódio para iluminação pública .

Os faróis de Rayleigh dependem da difusão da luz pelas moléculas na atmosfera inferior. Em contraste com os faróis de sódio, os faróis Rayleigh são muito mais simples e menos caros, mas não fornecem uma referência de frente de onda tão boa, já que o farol artificial é gerado muito mais abaixo na atmosfera. Os lasers são frequentemente pulsados, com medição da atmosfera limitada pelo tempo (ocorrendo vários microssegundos após o pulso ter sido lançado, de modo que a luz espalhada no nível do solo é ignorada e apenas a luz que viajou por vários microssegundos de altura na atmosfera e o verso é realmente detectado).

Desenvolvimento de laser

Os lasers de corante foram as primeiras fontes de laser usadas em aplicações de estrelas guia de laser. Esses lasers ajustáveis ​​continuaram a desempenhar um papel significativo neste campo. No entanto, o uso de meios de ganho de fluido tem sido considerado por alguns pesquisadores como desvantajoso. As fontes de laser de segunda geração para aplicações de estrela guia de sódio incluem lasers de estado sólido com mistura de frequência de soma. Novos sistemas de laser de terceira geração baseados em lasers de diodo sintonizáveis ​​com subsequente amplificação de fibra Raman de banda estreita e conversão de frequência ressonante estão em desenvolvimento desde 2005. Desde 2014, sistemas totalmente projetados estão disponíveis comercialmente. Recursos importantes de saída dos lasers sintonizáveis mencionados aqui incluem divergência de feixe limitada por difração e emissão de largura de linha estreita.

Progresso

Acredita-se que a estrela guia de laser de sódio para uso em óptica adaptativa para corrigir distorções atmosféricas tenha sido inventada pelo físico de Princeton Will Happer em 1982, como parte da Strategic Defense Initiative , mas foi classificada na época.

A óptica adaptativa para estrelas de guia a laser ainda é um campo muito jovem, com muitos esforços atualmente investidos no desenvolvimento de tecnologia. Em 2006, apenas dois sistemas AO de estrela guia a laser eram usados ​​regularmente para observações científicas e contribuíram para os resultados publicados na literatura científica revisada por pares : os observatórios Lick e Palomar na Califórnia e o Observatório Keck no Havaí . No entanto, os sistemas estelares guiados por laser estavam em desenvolvimento na maioria dos grandes telescópios, com o Telescópio William Herschel , o Very Large Telescope e o Gemini North tendo testado os lasers no céu, mas ainda não conseguido operações regulares. Outros observatórios que desenvolveram sistemas AO de laser a partir de 2006 incluem o Large Binocular Telescope e o Gran Telescopio Canarias . O sistema estelar guia de laser no Very Large Telescope iniciou suas operações científicas regulares em junho de 2007.

Poderoso sistema estelar guia de laser no Observatório do Paranal .

Desde abril de 2016, o 4 Laser Guide Star Facility (4LGSF) foi instalado no Very Large Telescope (VLT) do ESO , como um novo subsistema do Adaptive Optics Facility (AOF). O 4LGSF é um complemento do VLT Laser Guide Star Facility (LGSF). Em vez de um único feixe de laser, o 4LGSF propaga quatro feixes de laser para os céus do Paranal, no norte do Chile, produzindo quatro estrelas artificiais ao iluminar átomos de sódio localizados na atmosfera a 90 km de altitude. Essas quatro estrelas permitem obter uma melhor correção em uma direção específica, ou ampliar o campo de visão corrigido por uma óptica adaptativa. Cada laser fornece 22 watts em um diâmetro de 30 cm (12 pol.). O 4LGSF Laser System é baseado em uma tecnologia de laser Raman de fibra, desenvolvida no ESO e transferida para a indústria.

A atualização para quatro lasers com tecnologia de laser Raman de fibra é necessária para dar suporte aos novos instrumentos do Observatório do Paranal, como HAWK-I (com GRAAL) e MUSE (com GALACSI). Também com o 4LGSF a estabilidade é aumentada, a quantidade de suporte de manutenção preventiva e a preparação de um tempo de execução de observação será consideravelmente reduzido em comparação com o LGSF, que atualmente usa ainda seu laser de corante original (planejado para ser substituído por um laser de fibra ) . O 4LGSF ajuda os astrônomos a testar dispositivos para o E-ELT , que terá um sistema semelhante para suportar a ótica adaptativa do telescópio. Pela sua potência, as operações 4LGSF seguem um protocolo para evitar qualquer risco. O sistema de laser é equipado com um sistema automático de prevenção de aeronaves que desliga os lasers se uma aeronave se aventurar muito perto dos feixes.

Para estrelas guia de laser de sódio, há três desafios principais a superar: precessão de Larmor, recuo e saturação de transição. A precessão de Larmor, que é a precessão do átomo de sódio no campo geomagnético (precisamente, é a precessão do vetor de momento angular atômico total quantizado do átomo), diminui a fluorescência atômica da estrela guia de laser mudando o momento angular de o átomo antes de uma transição de ciclo de dois níveis pode ser estabelecido por meio de bombeamento óptico com luz polarizada circularmente. O recuo da emissão espontânea, resultando em um impulso para o átomo, causa um desvio para o vermelho na luz do laser em relação ao átomo, tornando o átomo incapaz de absorver a luz do laser e, portanto, incapaz de apresentar fluorescência. A saturação de transição é o despovoamento de átomos de um estado de momento angular superior (F = 2) para um estado de momento angular inferior (F = 1), resultando em um comprimento de onda de absorção diferente.

Referências

links externos