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光學工程
大型天文望遠鏡的光放大能夠克服衍射極限

在OSA光學雜志《Optics Letters》新發表的一篇文章中,一個研究團隊圍繞望遠鏡的衍射極限提出了一種方法,該方法甚至可以讓中等規模的望遠鏡獲得具有極高角分辨率的圖像。

雖然可以通過使用自適應光學(AO)系統提高地基望遠鏡的可用角分辨率,但來自劍橋大學(英國劍橋)的AO專家Aglaé N. Kellerer認為,隨著望遠鏡尺寸的增加,校正將變得越來越復雜。她指出:“1989年,第一個天文原型系統擁有19個校正單元和150 Hz的采樣頻率。當前的系統擁有幾千個校正單元,且采用頻率超過了1000 Hz——而且這并沒有達到極限。”

Kellerer和她的共同作者,來自以色列理工學院的Erez N. Ribak一起提出,通過使用光子放大技術,結合受激光子與自發光子的統計特性,就有可能使望遠鏡的角分辨率超過衍射極限。

假定一個由天體目標所發射出的光子。在通過給定望遠鏡實際探測到光子之前,對其位置的認知基本就這樣,即它存在于以天體目標為中心的巨型球面波上的某個點,并一直延伸到望遠鏡。然而,一旦望遠鏡的探測器記錄下光子,光子的路徑將內縮到由望遠鏡的孔徑所限定的區域內。海森堡不確定性原理表明,由于現在能更好地獲知光子路徑,其動量方面的對應不確定性必然增加。這限制了望遠鏡的分辨率。

然而,Kellerer和Ribak指出,這種限制只是用于獨立的光子;對于相干或糾纏光子集,這種限制可能更小。她指出:“我們建議用光放大——受激發射——來克服天文領域的衍射極限。”

望遠鏡孔徑和光子探測器之間的受激原子

具體來講,研究人員提出可以將受激原子放置在望遠鏡孔徑及其光子探測器之間。當天文光子進入望遠鏡時,它將激發相同光子的發射。Kellerer對此做出解釋:“這些光子同時到達探測器上并分散在衍射圖案上,如果入射光子激發100個光子發射,測定光子入射方向的精度將提高10倍。”

受激發射伴隨著自發發射,后者會帶來噪聲。出于該原因,科學家們放棄了之前的用光放大改進天文成像的想法。然而,Kellerer和Ribak建議只使用超過特定規模的受激光子爆。生成具有較大噪聲分量的小光子爆的天文光子將被丟棄,以降低總噪聲。Kellerer指出:“這可以讓我們克服衍射極限。”

所提出的技術的一個潛在缺點就是所產生圖像中的靈敏度損耗。Kellerer承認:“這是要付出代價的,但結果令人欣慰:如果我們找到一種不付出任何代價就能克服衍射極限的方法,我們將與海森堡的不確定性原來沖突,因此我們的發現肯定是錯誤的。”(此外,她還指出,通過增加曝光時間可以部分地克服靈敏度損耗。)

成像系外行星表面的可能性?

Kellerer表示,實現極高角分辨率對許多天文應用而言將是有益的。她舉了一個例子,就是她的團隊最近研究發現了一顆類地行星,該行星圍繞著39光年外的一顆超冷白矮星運行。她指出:“即使這些行星接近天文標準,但仍然很難建造出足夠大的望遠鏡,或者具有相當長的基線的干涉儀來成像它們的表面。這需要一個技術突破。”


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