自適應(yīng)光學：大氣湍流擾不亂

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

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

圖 1伽利略望遠鏡

光學望遠鏡的性能主要體現(xiàn)在集光能力和分辨率兩個方面。理想情況下，望遠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成反比、與望遠鏡口徑成正比?？芍龃笸h鏡的口徑就可以實現(xiàn)對更遠、更微弱天體的高分辨率觀測，如美國帕洛瑪山天文臺的海爾望遠鏡和夏威夷的凱克望遠鏡。然而，現(xiàn)實中的地球大氣層卻常常給天文觀測帶來挑戰(zhàn)。大氣湍流使得天體發(fā)出的光波波前相位發(fā)生隨機擾動，導致成像畫面扭曲變形乃至模糊，無法達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，如氮氣、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對流都會導致大氣的隨機運動，形成湍流。

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

圖 2 大氣湍流描述

英國物理學家Newton最早注意到大氣湍流對光傳播的擾動現(xiàn)象，補救方法是將大型天文望遠鏡建造在大氣最為寧靜的高山頂上，以減少大氣湍流的影響。然而，即使這樣仍然難以達到理想的觀測條件。1953年，美國天文學家霍勒斯·巴布科克提出了一個大膽的想法：在地面望遠鏡上校正大氣湍流引起的光學畸變。這一想法在當時被認為并不現(xiàn)實，因為沒有成熟的光電和計算機技術(shù)作為支撐。但是這一超前的概念被認為是自適應(yīng)光學技術(shù)的先驅(qū)。

到了1977年，Hardy等人成功構(gòu)建了第一個能夠校正二維圖像的自適應(yīng)光學系統(tǒng)，標志著這一技術(shù)的實際應(yīng)用。1989年，歐洲南方天文臺（ESO）和美國國家光學天文臺（NOAO）共同資助了第一個民用自適應(yīng)光學系統(tǒng)，名為“Come-on”。該系統(tǒng)安裝在法國Haute Provence天文臺的1.52米望遠鏡上，實現(xiàn)了在2.2微米波段的衍射極限成像。通過實時監(jiān)測和補償大氣湍流引起的波前畸變，自適應(yīng)光學技術(shù)可以顯著提升望遠鏡的分辨率，使得我們能夠更加清晰地觀測到宇宙中的天體。

在沒有任何像差的情況下，從天體發(fā)出的光波在進入地球大氣層前是平面波，然而大氣會導致光波的波前畸變。自適應(yīng)光學技術(shù)通過實時補償這些大氣效應(yīng)，使地面望遠鏡能夠達到理論上的衍射極限分辨率。自適應(yīng)光學結(jié)合了世界上最大型的望遠鏡和最先進的科學儀器，成為探索和理解宇宙的重要工具。

自適應(yīng)光學系統(tǒng)的工作原理可以通過一個簡單的示意圖來說明，關(guān)鍵技術(shù)包括變形鏡、波前傳感器和導星?；兊牟ㄇ斑M入望遠鏡后，首先被一個傾斜鏡和一個變形鏡反射，一部分光線被引導到波前傳感器（WFS），用于測量波前的畸變。

傾斜鏡可以校正波前的傾斜運動，而變形鏡則進行更高階的波前形狀的校正。變形鏡由多個獨立可控的小鏡面組成，通過調(diào)節(jié)這些小鏡面的形狀，動態(tài)補償波前的畸變，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中，實現(xiàn)理論上的衍射極限分辨率，補償?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）來實時監(jiān)測進入望遠鏡的光波畸變，并將測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

導星提供參考光源，分為兩種類型：自然導星和激光導星。自然導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)光學技術(shù)的早期階段，系統(tǒng)使用天狼星作為導星，以在等效光斑范圍內(nèi)實現(xiàn)衍射極限校正。然而適合的自然導星數(shù)量極為有限。為了克服自然導星的限制，科學家們開發(fā)了激光導星技術(shù)。激光導星可以在天空的任意位置生成明亮的參考光源，從而大大擴展了自適應(yīng)光學系統(tǒng)的適用范圍。激光導星主要有三種類型：瑞利激光導星、鈉層激光導星和光纖激光導星。

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

自適應(yīng)光學技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛而多樣，其強大潛力在多個方面得到了展現(xiàn)。除了在天文觀測應(yīng)用外，自適應(yīng)光學在軍事領(lǐng)域，被用于觀測人造衛(wèi)星和地面目標的高分辨率成像。美國的星火光學靶場和先進電光系統(tǒng)是早期應(yīng)用自適應(yīng)光學技術(shù)的軍事望遠鏡代表。

圖 5 人造衛(wèi)星望遠鏡 (a) 星火光學靶場 3.5m 望遠鏡 (b) 先進電光系統(tǒng)

此外，自適應(yīng)光學技術(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)學領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，與光學相干層析（OCT）和激光共焦掃描（CLS）技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對人眼視網(wǎng)膜的高分辨率成像。

參考文獻

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

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

文章由科普中國-創(chuàng)作培育計劃出品，轉(zhuǎn)載請注明來源。

作者：蔡文垂 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 研究生

審核：李明 中國科學院高能物理研究所 研究員