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光学工程
大型天文望远镜的光放大能够克服衍射极限

在OSA光学杂志《Optics Letters》新发表的一篇文章中,一个研究团队围绕望远镜的衍射极限提出了一种方法,该方法甚至可以让中等规模的望远镜获得具有极高角分辨率的图像。

虽然可以通过使用自适应光学(AO)系统提高地基望远镜的可用角分辨率,但来自剑桥大学(英国剑桥)的AO专家Aglaé N. Kellerer认为,随着望远镜尺寸的增加,校正将变得越来越复杂。她指出:“1989年,第一个天文原型系统拥有19个校正单元和150 Hz的采样频率。当前的系统拥有几千个校正单元,且采用频率超过了1000 Hz——而且这并没有达到极限。”

Kellerer和她的共同作者,来自以色列理工学院的Erez N. Ribak一起提出,通过使用光子放大技术,结合受激光子与自发光子的统计特性,就有可能使望远镜的角分辨率超过衍射极限。

假定一个由天体目标所发射出的光子。在通过给定望远镜实际探测到光子之前,对其位置的认知基本就这样,即它存在于以天体目标为中心的巨型球面波上的某个点,并一直延伸到望远镜。然而,一旦望远镜的探测器记录下光子,光子的路径将内缩到由望远镜的孔径所限定的区域内。海森堡不确定性原理表明,由于现在能更好地获知光子路径,其动量方面的对应不确定性必然增加。这限制了望远镜的分辨率。

然而,Kellerer和Ribak指出,这种限制只是用于独立的光子;对于相干或纠缠光子集,这种限制可能更小。她指出:“我们建议用光放大——受激发射——来克服天文领域的衍射极限。”

望远镜孔径和光子探测器之间的受激原子

具体来讲,研究人员提出可以将受激原子放置在望远镜孔径及其光子探测器之间。当天文光子进入望远镜时,它将激发相同光子的发射。Kellerer对此做出解释:“这些光子同时到达探测器上并分散在衍射图案上,如果入射光子激发100个光子发射,测定光子入射方向的精度将提高10倍。”

受激发射伴随着自发发射,后者会带来噪声。出于该原因,科学家们放弃了之前的用光放大改进天文成像的想法。然而,Kellerer和Ribak建议只使用超过特定规模的受激光子爆。生成具有较大噪声分量的小光子爆的天文光子将被丢弃,以降低总噪声。Kellerer指出:“这可以让我们克服衍射极限。”

所提出的技术的一个潜在缺点就是所产生图像中的灵敏度损耗。Kellerer承认:“这是要付出代价的,但结果令人欣慰:如果我们找到一种不付出任何代价就能克服衍射极限的方法,我们将与海森堡的不确定性原来冲突,因此我们的发现肯定是错误的。”(此外,她还指出,通过增加曝光时间可以部分地克服灵敏度损耗。)

成像系外行星表面的可能性?

Kellerer表示,实现极高角分辨率对许多天文应用而言将是有益的。她举了一个例子,就是她的团队最近研究发现了一颗类地行星,该行星围绕着39光年外的一颗超冷白矮星运行。她指出:“即使这些行星接近天文标准,但仍然很难建造出足够大的望远镜,或者具有相当长的基线的干涉仪来成像它们的表面。这需要一个技术突破。”


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