在人類感知外界環(huán)境的信息中，視覺(jué)信息占據(jù)了重要地位，而光更是作為視覺(jué)信息的基礎(chǔ)。什么是光，如何利用光，是歷代科學(xué)家們探索的重要課題。隨著科學(xué)的進(jìn)步，光學(xué)儀器的發(fā)明和應(yīng)用取得了巨大的進(jìn)展。宇宙是什么，世界又從何而來(lái)，仰望星空，望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)標(biāo)志著人類探索宇宙的開(kāi)始。

望遠(yuǎn)鏡的歷史可以追溯到17世紀(jì)初，在1609年伽利略發(fā)明了人類歷史上第一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡，并首次將望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用于天文觀測(cè)。他通過(guò)自制的望遠(yuǎn)鏡觀察到了月球的環(huán)形山、木星的衛(wèi)星以及太陽(yáng)黑子等天文現(xiàn)象，開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代天文學(xué)的先河。

圖 1伽利略望遠(yuǎn)鏡

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的性能主要體現(xiàn)在集光能力和分辨率兩個(gè)方面。理想情況下，望遠(yuǎn)鏡的集光能力與其口徑的平方成正比，分辨率則與光的波長(zhǎng)成反比、與望遠(yuǎn)鏡口徑成正比。可知增大望遠(yuǎn)鏡的口徑就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)更遠(yuǎn)、更微弱天體的高分辨率觀測(cè)，如美國(guó)帕洛瑪山天文臺(tái)的海爾望遠(yuǎn)鏡和夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡。然而，現(xiàn)實(shí)中的地球大氣層卻常常給天文觀測(cè)帶來(lái)挑戰(zhàn)。大氣湍流使得天體發(fā)出的光波波前相位發(fā)生隨機(jī)擾動(dòng)，導(dǎo)致成像畫(huà)面扭曲變形乃至模糊，無(wú)法達(dá)到理論上的最佳分辨率。

所謂大氣，便是包圍地球的氣體層，由多種物質(zhì)混合而成，如氮?dú)?、氧氣、氬氣和二氧化碳等。大氣的密度、溫度、濕度和氣壓隨高度變化，這使得大氣成為一種非均勻介質(zhì)。而地球?qū)饬鞯耐弦纷饔?、地表不同位置的溫度差異以及地表熱輻射引起的大氣?duì)流都會(huì)導(dǎo)致大氣的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，形成湍流。

當(dāng)光波穿過(guò)大氣層時(shí)，大氣的折射率會(huì)影響光的傳播路徑。大氣折射率取決于大氣的溫度、濕度、氣壓以及光的波長(zhǎng)。大氣湍流使得從太空而來(lái)的光束出現(xiàn)聚焦、偏折等現(xiàn)象，并出現(xiàn)光閃爍和光像抖動(dòng)等現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量下降，使圖像出現(xiàn)扭曲和變形，從而影響天文觀測(cè)的分辨率。

圖 2 大氣湍流描述

英國(guó)物理學(xué)家Newton最早注意到大氣湍流對(duì)光傳播的擾動(dòng)現(xiàn)象，補(bǔ)救方法是將大型天文望遠(yuǎn)鏡建造在大氣最為寧?kù)o的高山頂上，以減少大氣湍流的影響。然而，即使這樣仍然難以達(dá)到理想的觀測(cè)條件。1953年，美國(guó)天文學(xué)家霍勒斯·巴布科克提出了一個(gè)大膽的想法：在地面望遠(yuǎn)鏡上校正大氣湍流引起的光學(xué)畸變。這一想法在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)闆](méi)有成熟的光電和計(jì)算機(jī)技術(shù)作為支撐。但是這一超前的概念被認(rèn)為是自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的先驅(qū)。

到了1977年，Hardy等人成功構(gòu)建了第一個(gè)能夠校正二維圖像的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，標(biāo)志著這一技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。1989年，歐洲南方天文臺(tái)（ESO）和美國(guó)國(guó)家光學(xué)天文臺(tái)（NOAO）共同資助了第一個(gè)民用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，名為“Come-on”。該系統(tǒng)安裝在法國(guó)Haute Provence天文臺(tái)的1.52米望遠(yuǎn)鏡上，實(shí)現(xiàn)了在2.2微米波段的衍射極限成像。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償大氣湍流引起的波前畸變，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以顯著提升望遠(yuǎn)鏡的分辨率，使得我們能夠更加清晰地觀測(cè)到宇宙中的天體。

在沒(méi)有任何像差的情況下，從天體發(fā)出的光波在進(jìn)入地球大氣層前是平面波，然而大氣會(huì)導(dǎo)致光波的波前畸變。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)補(bǔ)償這些大氣效應(yīng)，使地面望遠(yuǎn)鏡能夠達(dá)到理論上的衍射極限分辨率。自適應(yīng)光學(xué)結(jié)合了世界上最大型的望遠(yuǎn)鏡和最先進(jìn)的科學(xué)儀器，成為探索和理解宇宙的重要工具。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的工作原理可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖來(lái)說(shuō)明，關(guān)鍵技術(shù)包括變形鏡、波前傳感器和導(dǎo)星?；兊牟ㄇ斑M(jìn)入望遠(yuǎn)鏡后，首先被一個(gè)傾斜鏡和一個(gè)變形鏡反射，一部分光線被引導(dǎo)到波前傳感器（WFS），用于測(cè)量波前的畸變。

傾斜鏡可以校正波前的傾斜運(yùn)動(dòng)，而變形鏡則進(jìn)行更高階的波前形狀的校正。變形鏡由多個(gè)獨(dú)立可控的小鏡面組成，通過(guò)調(diào)節(jié)這些小鏡面的形狀，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償波前的畸變，校正光波的相位誤差。最終，校正后的波前傳輸?shù)礁叻直媛氏鄼C(jī)中，實(shí)現(xiàn)理論上的衍射極限分辨率，補(bǔ)償?shù)厍虼髿鈱拥哪：?yīng)。

圖 3 AO概念圖

波前傳感器是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的三大核心技術(shù)之一，起著波前控制的基礎(chǔ)作用。根據(jù)其基本工作原理，波前傳感技術(shù)可以大致分為三類：基于強(qiáng)度的反向相位傳感、基于波前斜率或曲率的波前傳感以及基于干涉的波前傳感。在天文學(xué)中，常用Shack-Hartmann波前傳感器（SHWFS）、金字塔波前傳感器（PWFS）和曲率波前傳感器（CWFS）來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的光波畸變，并將測(cè)量信息傳遞給控制系統(tǒng)，根據(jù)這些信息調(diào)整變形鏡的形狀。

圖 4 三種波前傳感器示意圖

（a）基于強(qiáng)度的反向相位傳感（b）基于波前斜率或曲率的波前傳感（c）基于干涉的波前傳感

導(dǎo)星提供參考光源，分為兩種類型：自然導(dǎo)星和激光導(dǎo)星。自然導(dǎo)星是指天空中的天體，可以是明亮的恒星，也可以是角度很小的行星、衛(wèi)星、小行星，甚至是星系的亮核。在自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的早期階段，系統(tǒng)使用天狼星作為導(dǎo)星，以在等效光斑范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)衍射極限校正。然而適合的自然導(dǎo)星數(shù)量極為有限。為了克服自然導(dǎo)星的限制，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了激光導(dǎo)星技術(shù)。激光導(dǎo)星可以在天空的任意位置生成明亮的參考光源，從而大大擴(kuò)展了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的適用范圍。激光導(dǎo)星主要有三種類型：瑞利激光導(dǎo)星、鈉層激光導(dǎo)星和光纖激光導(dǎo)星。

通過(guò)這些技術(shù)的協(xié)同工作，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)校正大氣湍流帶來(lái)的光學(xué)畸變，顯著提高望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量，使地基望遠(yuǎn)鏡能夠更清晰、更精確地觀測(cè)宇宙中的天體。

自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛而多樣，其強(qiáng)大潛力在多個(gè)方面得到了展現(xiàn)。除了在天文觀測(cè)應(yīng)用外，自適應(yīng)光學(xué)在軍事領(lǐng)域，被用于觀測(cè)人造衛(wèi)星和地面目標(biāo)的高分辨率成像。美國(guó)的星火光學(xué)靶場(chǎng)和先進(jìn)電光系統(tǒng)是早期應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的軍事望遠(yuǎn)鏡代表。

圖 5 人造衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡 (a) 星火光學(xué)靶場(chǎng) 3.5m 望遠(yuǎn)鏡 (b) 先進(jìn)電光系統(tǒng)

此外，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于自由空間光通信（FSOC）系統(tǒng)中，還在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，與光學(xué)相干層析（OCT）和激光共焦掃描（CLS）技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人眼視網(wǎng)膜的高分辨率成像。

參考文獻(xiàn)

王凱迪.大氣湍流波前畸變的自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)研究[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2021.

Rao, C., Zhong, L., Guo, Y. et al. Astronomical adaptive optics: a review. PhotoniX 5, 16 (2024).

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作者：蔡文垂 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 研究生

審核：李明 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 研究員