激光产生的“引导星”构成了自适应光学（AO）技术的关键部分，该技术通过建立地面望远镜看穿大气畸变的方法使天文学发生了革命性的变化。在今年发表的工作中，一些研究小组已经发现了这些激光诱导人造灯笼的另一种用途：将地球磁场的形状和强度确定下来在科学上至关重要，这在之前很大程度上是不可触及的范围。

图1 极地中间层云

在使用引导星的AO技术中，与地面望远镜相邻的强激光在地面望远镜上方85至100公里处击中地球中层大气的一小块。随后在中间层中激发钠原子在精确的已知位置和高度产生人造光点。这种闪烁的光源反过来又给地面上的望远镜操作人员提供了一个可以抓住的已知点，并让他们在计算上抵消（通过波前整形技术）低层大气中的湍流。最终实现了对远处星星的更清晰的观察。

2011年，由美国巴克内尔大学的James Higbie领导的科学家们提出，AO的激光制导星也可能起到测量地球中层磁场的微小远程磁力计的作用（Proc.Natl.Acad.Sci.USA，doi：10.1073 / pnas.1013641108）。该方法将通过测量激光激发的钠原子在磁场中的进动或摆动来工作。更具体地说，当圆偏振激光束激发钠原子时，它使钠原子自旋极化，这使得钠原子像在磁场中旋转的陀螺一样摆动。该进动的频率取决于局部场强，可以通过地面探测器捕获的荧光信号的变化来读取。如果可以使这种测量方法有效工作，对于地球物理学来说是一个很好的胜利。这是因为中间层占据了基于空间和基于地面的磁场测量之间难以接近的中间地带。了解该领域难以捉摸的部分对于整体地磁学的完整图景至关重要，适用于从板块构造到海洋环流到太空天气的科学应用。

今年5月，一群美国研究人员最终将使用摆动激光导星作为磁力计的想法进行了测试（J.Geophys.Res.，doi：10.1029 / 2018JA025178）。研究小组发射了1.33瓦的激光激发中层钠原子，然后用1.55米口径的望远镜收集了反向散射的导星光。通过测量进动，在百分之一点误差内他们能够得到一个与几个模型相符的场值。但该方法的灵敏度，在162 nT /Hz½，大大低于被认为是对中间层磁场变化进行有用测量所必需的1 nT /Hz½左右的水平。

图2 来自德国，意大利，加拿大和美国的一组科学家使用了一种用于天文自适应光学的地面激光器，配备了声光调制器（AOM），用于激发中间层中的钠原子。基于地面的光信号测量用于估计自旋极化钠原子的进动，并因此估计该区域中地球磁场的进动。[图片：FP Bustos等，Nat. Commun.，doi：10.1038 / s41467-018-06396-7;CC BY 4.0]

在9月底发表的工作中，来自德国，意大利，加拿大和美国的科学家报告了这种精确度的显著改善（Nat.Commun.，doi：10.1038 / s41467-018-06396-7）。他们瞄准了来自欧洲南方天文台的激光导引星单元的连续波激光器，该激光导引星单元毗邻中间层加那利群岛拉帕尔马的威廉·赫歇尔望远镜，向天空提供大约2W的激光功率。然后，该团队使用安装在AO系统接收器控制单元上的40厘米孔径望远镜捕获接收到的光。接收到的光在通过光电倍增管后，然后被送到数字信号处理堆栈，用于从荧光信号中回退进动，并调谐激光器以减少来自大气的闪烁噪声。

国际研究小组报告说，通过聚焦进动信号中较窄的共振频率，研究人员能够达到0.28 mG /Hz½（28 nT /Hz½）的准确度，尽管仍然低于最终的1-nT /Hz½目标，但比美国团队今年早些时候的结果要在灵敏度上要高一个数量级。这个国际小组建议，结果可以进一步改进；例如，使用更高的激光功率，研究人员可以增加该方法所询问的原子数，从而提高灵敏度。研究人员还指出了近期工作的另一个有趣作用。通过深入研究与激发的钠原子自旋弛豫速率相关的共振频率的细节，他们能够得出中间层原子碰撞速率的信息。该团队写道，获得关于碰撞动力学的这种定量信息对于“钠激光导星和中间磁强计的优化非常重要”，因此可以进一步提高这些信标对天文学和地球物理学的潜在用途。

来源： Optics Photonics

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