自适应光学.pdf

一、前言 自适应光学是 20世纪 50年代以来迅速发展起来的光学新技术， 在高分辨率天文观测、高能激光武器、激光通讯，激光核聚变，医学 等方面的应用越来越广泛。 自适应光学系统能实时探测由大气扰动、环境温度起伏、光轴抖 动等因素造成的波面畸变，并通过光学校正系统实时补偿波面误差， 现代地基、天基大型望远镜几乎都采用了自适应光学系统。 近年来，随着自适应光学理论与技术的发展，它已被广泛地应用 于军事及民用领域，如用于光学遥感载荷多种误差源的实时校正以提 高载荷的成像分辨率；用于激光通信的大气扰动补偿；用于激光可控 热核聚变实验，提高靶标上的光功率密度；用于医用光学仪器，实现 人眼视网膜的高分辨率成像等。 由于大气的湍流运动，大气温度的随机变化产生大气密度的随机 变化，从而导致大气折射率的随机变化，这些变化的累积效应导致大 气折射率的明显不均匀性，大气折射率微小变化的作用类似于处在大 气中的小“透镜”，它们使传输光束出现聚焦、偏折等现象，从而导 致光闪烁和光抖动等效应。这些“透镜”的大小近似于湍流漩涡的尺 度。大气湍流对光传播的影响，最早反映在天文观测中。湍流的影响 严重地限制了大口径天文望远镜分辨率的提高。 1953 年，美国天文学家巴布科克提出用实时测量波面误差并实 时加以校正的方法来解决大气湍流等动态干扰的设想，如果这一过程 足够快，就可以克服动态误差的影响而使光学系统能够自动适应环境 变化，保持理想性能，就是自适应光学((Adaptive OpticsAO)思想的 形成，但在当时还没有实现这一设想的现成技术。 本世纪 60 年代出现了激光，激光的高方向性和高亮度的特点推 动人们去进行用强激光作为武器的研究。与观测系统一样，激光武器 系统也面临着大气干扰使能量分散的问题。用直径 4m 的发射系统通 过大气发射波长 1um 的强激光到目标上，即使没有其他误差，只有大 气湍流的影响，光斑中心的能量密度只有衍射极限的千分之一，动态 干扰也成了实现激光武器的一个重大技术障碍。 到了 70 年代，高分辨率观测和高集中度激光能量传输的发展， 更加迫切地要求解决动态干扰问题，相关技术的发展，也使自适应光 学的实现成为可能。 从 70 年代中期开始自适应光学的研究才真正起步。在1972年， 美国研制出了第一套实时大气补偿成像实验系统。这个系统在 300 米 水平光路上成功地对大气湍流效应进行了补偿，经补偿后的图像分辨 率接近衍射极限。 1990年以前，美国的自适应光学研究主要服务于军事应用。1982 年在夏威夷附近的空军毛伊(Maui)岛光学站上，美国安装了世界上第 一台实用的 1.6米自适应光学望远镜，用来观察近地轨道上运行的空 间目标(卫星，助推器及其残骸)，利用其形态特性进行识别和分类。 该系统在可见光波段(0.4～0.7 微米)工作，有 168 个子孔径， 波前传感器为横向交变剪切干涉仪，波前校正元件为 168 单元整体式 压电变形镜，采样频率为 10000 赫兹，带宽为 200-1000 赫兹，探测 灵敏度达7 等星。在 805公里的距离上系统的分辨率可达 0.3米，即 0.07 角秒，表明该系统在 1.6 米口径的和 0.6 微米工作波长的情况 下达到衍射极限的成像质量。 与此同时也以强激光武器为背景开展了大量的研究工作，从1985 年到 1990 年先后对飞机、火箭和航天飞机进行激光发射的大气湍流 补偿校正试验。1990 年还专门发射了名叫“低功率大气补偿实验” (LACE)卫星，用来验证自适应光学对激光束的校正能力，证明自适应 光学可以有效地校正地面向卫星发射激光束所受大气湍流的影响。 在冷战时期，美国的自适应光学技术处于严格的必威体育官网网址之中。与此 同时，各国天文学家努力进行以高分辨率天文观测为目的的研究工 作。 80 年代末期，欧洲南方天文台在法国空间研究院和莱塞多特 (Laserdot)公司的协助下，进行了称为 COME-ON 的自适应光学计划。 系统采用 19 单元连续镜面变形反射镜，用夏克·哈特曼传感器探测 光波波前动态畸变。系统在可见光波段进行波前探测，在红外波段进 行成像校正。 1989年该系统被装到位于法国上普洛旺斯天文台的1.52米天文 望远镜上进行实验，成功地在红外波段实现了校正。在波长大于2.2 微米的波段内，星像接近衍射极限，在波长较短时望远镜的像质也有 很大改善.由于所用的像增强器噪声大，系统所能观测的极