什么是天文激光器？

激光器 天文学家不可或缺的工具，使他们能够更精确地观测天体。特别是，它们使得拍摄遥远的恒星、星系及其他天体的图像比以往更加清晰。

激光器 在天文学的多个不同领域激光器 应用。最常见的是，它们被用于各种技术手段，以提升大型天文望远镜的成像质量 性能。此外，它们也是引力波探测以及其他应用的关键。

激光导星

利用望远镜拍摄天体的高分辨率图像时，一个主要的限制因素是地球大气层造成的模糊效应。特别是，望远镜上方气柱中的湍流和温度变化会扭曲来自天体的光波前，从而无法形成完全清晰的图像。 

要最大限度地减少或完全避免这种情况，一种方法是将望远镜安置在极高的山峰上，或者送入太空。但即使位于地球上最高山峰的望远镜，其性能仍会受到所谓“天文视宁度”的显著限制。  

天文学家为最大限度地减少大气视宁度问题而开发的一种方法是自适应光学元件 AO）。该技术在望远镜的光路中使用柔性或可变形镜，以实时调整波前形状，从而校正大气造成的畸变。

光学元件 这样一个事实：恒星距离我们极其遥远，因此它们在我们看来是点光源，产生的波前完全平坦。因此，我们测量恒星发出的实际波前，并计算其与平坦波前的偏差程度。随后，利用这些信息控制可变形镜改变形状，从而校正波前并使其恢复平坦。 

自适应光学元件 每秒可进行数千次调整，以补偿大气畸变的快速变化。与传统望远镜相比，这使得天体的成像更加清晰锐利、细节更丰富。

但自适应光学系统需要一颗足够明亮的恒星才能正常工作。根据望远镜在天空中的指向，视野范围内可能有也可能没有足够明亮的恒星。如果没有，可以通过向大气中发射激光来生成一颗人造导星。随后，激光导星 LGS）即可作为光学元件 参考波前。

在实际构建激光诱导散射（LGS）系统方面，主要有两种截然不同的方法，且每种方法的具体实现方式也存在多种变体。最广泛采用的技术是利用波长为589纳米的激光，激发大气层约90公里高度处的钠原子。这些钠原子吸收激光光后重新发射，从而产生激光诱导散射。 

第二种方法依赖于所谓的“瑞利信标”。该方法通常使用紫外激光，使其在距地表约15至25公里的大气层中引起分子散射。虽然瑞利信标的构造更为简单且成本较低，但其提供的波前参考质量不及钠基激光引导星（LGS）方法。 这是因为瑞利信标LGS在大气层中的位置显得更低，因此其光线所经历的畸变与来自天体的光线并不完全相同。 

多望远镜干涉

提高望远镜成像质量的另一种方法是增大口径。这是因为望远镜口径越大，衍射 成像质量衍射 负面影响就越小。因此，更大的望远镜能够呈现出更清晰、更明亮的图像。

但从实际角度来看，望远镜的建造规模是有限的。解决这一问题的办法之一是将多台望远镜收集到的光线结合起来，从而模拟出一台更大、分辨率更高的观测设备。 

为了将光线合并，这些望远镜必须物理上非常接近。然后，必须以极高的精度将各个光束合并。具体来说，每台望远镜到重组点的距离必须精确到光波长的极小部分。对于可见光，其波长约为0.5微米。 

但是，即使每台望远镜的光路在理论上完全相同，热膨胀和振动等实际影响仍会在总光程中产生随时间变化的误差，其幅度远大于允许值。为纠正这一问题，每台望远镜的光路中都设置了“延迟线”。这些延迟线能够对每台望远镜的总光程进行精细且高精度的调整，从而确保所有距离完全一致。 

在将多台大型望远镜组合时，存在多种实现延迟线的方案。通常，这些方案涉及让光束从安装在导轨上的反射镜上反射。这样可以使反射镜沿光轴移动。通过改变反射镜的位置，即可调节延迟线的长度。 

该技术成功的关键在于能够以波长的几分之一为精度测量镜面的位置——对于可见光而言，这一精度为几十纳米。基于激光的距离测量 干涉 提供了实现这一目标的终极且最灵敏的手段。通常，该方法采用低功率、连续波（CW）、可见光波长的激光器 线宽相对较窄。这能提供进行干涉 所需的相干长度干涉 数米或更长的光程。 

激光器在天文学领域的其他应用

激光器 天文学激光器 还有许多其他用途。例如，激光干涉 引力波天文学的基础。 

但就激光干涉 观测站（LIGO）而言——实际上是由位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两座独立观测站组成——其精度和灵敏度远超以往任何成就。 

这些设施均采用L形干涉仪 长度约为4公里。LIGO的灵敏度足以测量两干涉仪 之间的路径差变化，其精度可达质子直径的千分之一以下。这正是测量引力波——即黑洞碰撞时产生的时空微小涟漪——所必需的。 

LIGO实际上集成了相当数量的激光器 放大器。干涉仪 的主光束由一个 高意 Mephisto激光器。选择这款激光器是因为它采用了非平面环形振荡器（NRPO）技术，该技术被公认为噪声最低、线宽最窄的连续波激光器架构。Mephisto 输出信号Mephisto 多级处理，以实现功率放大、降噪，并稳定其频率、功率及横向模态结构。 

激光器 测量地球到月球的距离。其工作原理是让激光脉冲反射到月球表面的一组逆反射镜上，这些镜子是由三次阿波罗任务以及随后两次苏联月球车任务留下的。通过测量光程时间，即可计算出距离，精度可达几毫米。

激光器 美国宇航局（NASA）的“毅力号”火星车激光器 火星。它利用激光将少量火星岩石汽化，从而产生一种会发光的等离子体。对这种光进行光谱分析，即可揭示岩石的化学成分。

总体而言，激光器 在科研 观测领域的发展中激光器 重要作用。未来几年，它们很可能继续在新技术的发展中发挥关键作用。