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【中国科学报】 八年磨一剑 激光造星群——中科院钠信标激光国外外场试验成功历程

稿件来源： 发布时间：2014-02-25

理化所研究人员在UBC 天文台调试钠信标激光器。
 
■本报见习记者 倪思洁
中科院理化所有一群人，他们致力于造“星星”。为使大型天文望远镜看得更远、更清楚，从2006年起，他们每天琢磨的事情就是怎么研制“钠信标激光器”，并用它在大气顶层造出足够亮的“钠导引星”。
最近，他们在国外成功开展了钠信标激光外场试验，被国际最大口径的三十米望远镜（TMT）项目评价为“巨大进展”。“中科院理化所已掌握高功率钠信标激光器技术”，TMT向美国国防技术安全局（DTSA）提出了如是论断，自此打破该技术对中国的禁运。
1月29日，中国科学院院长白春礼向中国工程院院士许祖彦及其项目研究团队表示祝贺：“理化所钠信标激光技术达到了世界领先水平，这将对我国相关领域的发展起到重要推动作用。这是中国科学院人的自豪，更是落实习近平总书记‘四个率先’的行动和体现。” 
让钠原子“亮”起来 
一闪一闪亮晶晶，满天都是小星星。不过，对于大型地基光学望远镜来说，满天的星星里能“用”的却不多。 
据了解，天体发出的光经过大气层后，会导致其成像质量降低。为解决这一问题，大型地基光学望远镜就需要利用足够亮的信标光源探测大气扰动的影响，进而作自适应光学校正。最早人们将天狼星等亮星作为信标光源，但自然界的亮星并不多，因而依赖这些亮星只能看清大约1%天区内的天体。 
为了清晰地观测更多星体，前人想出了“激光钠信标”的办法，即点亮钠原子，让589纳米波长黄激光与大气顶层（距地面80至105公里）中的钠原子作用形成“人造星星”——钠信标。目前，钠信标激光设备已经成为包括TMT在内的大型望远镜的核心关键设备之一。 
但是，难就难在怎么能让钠原子“亮”起来。“钠原子的谱线特别窄，要点‘亮’钠原子，就要让激光光子能量与钠原子的电子跃迁能级完全吻合，从而引起共振。所以，激光的波长要非常精准地对准钠原子谱线，并且把所有能量都集中在这个极窄的谱线缝里，真好比针尖对麦芒。”项目研究团队负责人、理化所激光物理与技术研究中心研究员薄勇告诉记者。 
“眼前一亮” 
2013年的夏天让薄勇难忘。7月25日，在TMT的安排和中科院国家天文台的协调下，他和理化所研究人员左军卫、谢仕永，代表激光物理与技术研究中心，将“新鲜出炉”的钠信标激光器打包稳妥，奔赴加拿大，并在加拿大英属哥伦比亚大学（UBC）天文台的6米望远镜上开展外场试验。 
2013年8月12日至9月5日，这台激光器在UBC天文台连续运行了近一个月。不仅如此，此次试验他们仅用20瓦激光功率，就使钠导引星回波效率超过了TMT的要求。 
中科院国家天文台副台长、中国TMT项目经理薛随建在接受《中国科学报》记者采访时评价：“这次试验的确让国际同行眼前一亮。”目前，TMT已将理化所的第二代钠信标激光器列为首选，欧洲南方天文台的第一代钠信标激光器列为备选。为此，欧南台台长Tim de Zeeuw写信向TMT董事会投诉，怀疑中国的激光器侵犯了他们的知识产权，TMT以两代激光器在体制上完全不同为由驳回投诉。 
三个数字 八年艰辛 
从国际研究钠信标激光器的步伐来看，理化所起步并不早。 
上世纪80年代以来，美国、德国、日本等都在大力发展钠信标激光，采用的是连续波体制，称为第一代；近年来，美国开发了准连续微秒脉冲体制，被称为第二代。 
13瓦、33瓦、53瓦，3个数字浓缩了8年历程。 
2006年，理化所激光物理与技术研究中心主任彭钦军提出直接发展第二代钠信标激光；2009年，功率达13瓦的589纳米波长高功率准连续微秒脉冲体制全固态钠信标激光诞生；2010年，功率提高到33瓦；2011年4月，第一台钠信标激光器试验样机诞生，并在外场试验中打出当时世界最亮的第二代钠导引星；2012年，功率到达53瓦；2013年7月至9月，第二台钠信标激光器在国外外场试验取得成功。 
“这体现了我们的科研实力，也提升了士气。”彭钦军告诉《中国科学报》记者，“此次成功为我国自主发展大型高分辨率望远镜及其探测成像设备奠定了关键技术基础。如果在国际最先进的望远镜上装备中国的关键仪器设备，可极大提升我国的科技影响力。” 
目前的成功还是阶段性的，在薛随建看来，艰辛的路还没走完。“今年4月，TMT项目将按照‘三十米望远镜国际天文台（TIO）总协议’，要求合作各方签署协议以继续完成包括钠信标激光器在内的多项TMT核心设备的研制。在钠信标激光器技术面临严峻的国际竞争形势下，要保障我们的仪器设备最终胜出并得到高显示度应用，还需国家和中科院的进一步支持。”薛随建说。
《中国科学报》 (2014-02-25 第1版 要闻)
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