自适应光学系统简介

自适应光学系统主要包含三个基本组成部分：波前传感器、波前校正器和波前控制器。自适应光学系统中的能动器件就是波前校正器，它通过改变光束横截面上各点的光程长度，达到校正波前畸变的目的。一般可以通过反射镜面的位置移动或传输介质折射率的变化来实现光程长度的改变。其中在自适应光学系统中应用最为广泛的是基于反射镜面位置移动的波前校正器（通常称为变形镜），其具有响应速度快、变形位移量大、工作谱带宽、光学利用率高、实现方法多的优良特性。

自适应光学系统能够实时测量并补偿各种干扰引起的光学系统的波前畸变，使光学系统具有自动适应外界条件变化从而保持最佳工作状态的能力。基于这样的优点，自适应光学一直以来被广泛应用于天文观测和激光传输等领域，获得了极大的认同。而本世纪初随着其它领域对自适应光学的逐渐增长的兴趣，其应用范围开始扩展，包括人眼视网膜成像系统、激光通信系统等。 

自适应光学系统的应用

大多数实际使用的自适应系统都用在天文成像领域，但是随着自适应光学技术的进步，主要是器件实现方式的多样性，自适应光学的应用领域也得到了较大的拓展。

1.成像观测用自适应光学系统

所有的大口径的望远镜如今都在使用自适应光学系统来改善系统的成像质量。这些系统有多种不同的应用目标，也是用了各种各样的变形镜、波前传感器等技术。2003年装备Gemini North 的ALTAIR 自适应光学系统使用177 单元的变形镜（DM）和单独的倾斜镜（TTM），使用哈特曼-夏克波前传感器在可见光波段进行波前误差的探测，系统工作频率为1kHz，在K波段获得了0.1角秒的分辨率。而在10米口径的KECK II 望远镜上装备的的自适应系统使用349单元变形镜配合哈特曼-夏克波前传感器，使得该望远镜在0.85um 和1.65um 波段分别获得了0.022角秒和0.04 角秒的分辨率。在MaunaKea 山顶，Canada-France-Hawaii 3.6 米望远镜装配了叫做“Hokupa'a”自适应系统。这个系统的特别之处在于它是用了一个36单元的双压电片变形镜和36单元的曲率传感器，大大降低了自适应光学系统的成本。在早期的实际观测中发现自适应系统的使用使成像的峰值强度提高了30倍。这个数据是在0.936um的观测波段，校正后的斯特列尔比达到0.3。而在美国毛伊岛空军基地的3.67米的先进光电望远镜系统（Advanced ElectroOptical System Telescope，AEOS）则是使用941单元的变形镜，主要用于空间目标识别，其系统规模是极其庞大的。

2.用于激光装置的自适应光学系统

采用自适应光学技术对激光光束进行光束净化，是提高激光器输出光束质量的重要手段，一般可分为腔内自适应光学技术和腔外自适应光学技术。腔内自适应光学技术是将波前校正器置于激光谐振腔内，用来校正谐振腔的静态和动态像差，使激光谐振腔保持正确的谐振条件，改善激光的光强和相位分布，提高输出功率；腔外自适应光学技术是将波前校正器置于激光谐振腔外，利用波前补偿的原理改善激光器输出光束的相位分布，以达到提高远场能量集中度的目的。腔内自适应光学校正相对来说技术更为复杂，因为激光腔内模式的产生过程本身就很复杂，需要进行数值仿真来迭代分析。早在1980年代，就有一系列的针对非稳腔CO2 激光器进行校正的理论分析和实验结果，但实验结果表明，很难取得良好的校正效果而往往只能校正少量的人工引入的误差。90 年代以后，俄罗斯科研人员针对Nd:YAG 激光在开展校正工作，Cherezova 等的论文总结了他们的研究结果。他们成功地将多模光束的发散角压缩了两倍。他们还发现某些变形镜的模式能够产生方形或三角形的模式结构。Kudryashov 和Samarkin 采用水冷的双压电片变形反射镜来对高能的CO2 激光器进行腔内校正，研究表明通过改变变形镜的焦距能够调整谐振腔参数从而对输出强度分布进行调制。相比之下，腔外自适应光学系统要更广为人知，典型的代表是惯性约束核聚变(ICF)和激光武器系统。现有世界上主要的惯性约束核聚变系统，如美国的国家点火装置（NIF），法国的兆焦耳激光装置（LMJ），日本的GEKKO 装置，以及我国的神光装置等都采用了自适应光学技术来改善和控制激光光束质量。此外美国军方将之前的研究成果进一步运用到战略和战术激光武器领域，2001年在白沙靶场进行的车载固体战术激光武器系统拦截弹道导弹的试验成功，而更为雄心勃勃的机载激光武器(Air-Born Laser，ABL)计划更是把自适应光学技术作为核心技术之一，虽然最终该系统未能实现预期战略目标在2011年被宣告终止，但其中期性能演示已经成为自适应光学技术的绝佳广告。

3.光通信自适应光学系统

大气光通信是指以激光作为信息载体、大气作为传输通道进行信息传输的通信系统，包括卫星与地面站之间以及地面站与地面站之间进行的通信。大气光通信结合了光通信与无线通信的优点，利用该技术可以进行大容量、高速的数据、语音、图像等信息传递并且无需任何有线通道。所以在卫星通信、本地宽带接入和军事通信领域都具有极大的应用和发展潜力。巨大的应用需求直接促进了大气光通信技术的发展，但其中大气湍流对通信质量的影响同样给研究人员带来困扰。20 世纪90 年代以来许多研究人员尝试使用自适应光学技术来降低大气湍流对通信质量的影响，也取得了一些重要的研究成果，在星地链路方面运用相位补偿原理进行传输校正的效果较好，但水平链路的传输由于大气的强闪烁等原因还没有获得十分理想的结果，有待进一步的研究。

在光通讯方面，光纤技术的巨大发展使光开关代替电子开关成为必须，自适应光学技

术可以提高光纤耦合效率，采用变形镜技术进行单模光纤开关的试验应用，可以消除像差，提高耦合效率，开关最大频率可达1KHZ，耦合效率由9%升至46%。变形镜的相位调制技术还可以用于光信息编码、全息记录系统和激光自由空间通讯技术的试验。自适应光学技术将成为光通讯的支撑技术之一。

自适应技术在光网络应用也越来越成熟。自适应比自动交换更进一步, 是下一代光网络的发展方向。较之ASON, 自适应光网络拥有更好的自适应和自组织能力, 它能够对各种业务实现自适应地接入。根据业务要求和实际网络状况, 自适应地调整节点传输参数, 优化网络性能。可以说, 自适应光网络在ASON 自动连接管理的基础上, 能够实现光传送层的自动管理和优化。自适应光网络技术对未来光通信领域的发展具有重要意义。 

4.视网膜自适应光学成像系统

眼睛是人类感知世界的“信息之窗”，约80%~90%的外部信息经由视觉通道进入人类的意识世界。因此，对人眼的视觉分析特别是视网膜区域的高分辨率成像研究一直都是国外生物医学方面的研究重点。实验表明如果能够在7mm 瞳孔直径的情况下也能以衍射极限成像的话，就能用仪器顺利看到视网膜上的感光细胞。但人眼由于角膜及晶状体结构的不完美使经过的光线产生波前误差，而且其大小和形式因人因时而变，不可能采用施加固定校正的方法解决。这使得一般的眼科成像系统无法达到衍射极限，也就无法实现高分辨率的眼科成像，自适应光学正好可以解决这样的问题。通过眼底视网膜图像，可以发现多种人体疾病病变信息，如心脑血管及内分泌失调，正常人和老年性黄斑，中心性浆液性脉络视网膜病变等；但人眼象差除离焦、像散外，还包含高阶像差，降低了成像分辨力，传统的眼科测量技术无法克服这些高阶像差，而自适应光学技术用于人眼视网膜成像系统，则可以获得更加清晰的眼底视网膜图像。美国Rochester大学视觉科学中心的Junzhong Liang 等人使用217子孔径的哈特曼-夏克波前传感器配合37单元的变形反射镜在国际上首先实现了自适应光学的视网膜成像横向空间分辨率到达2um，已经能够分辨视细胞。此后科学家又将光学相干层析技术（optical coherence tomography，OCT）和激光共焦扫描检眼镜（confocal scanning laser ophthalmoscopy，CSLO)分别与自适应光学结合，使得纵向和横向分辨率都到了细胞水平，三维细胞分辨的视网膜成像成为可能。这些技术都成为人眼视科学研究的新式利器。近年来系统向着高分辨率、小型化、廉价、安全稳定的方向发展，出现了大量研究成果的报道。 

在一些专用的光学仪器上，如测量宇宙重力波的长光程激光干涉测量仪LIGO、多光子共焦扫描显微镜，应用自适应光学技术可以校正仪器的静态或激光泵浦放大引入的动态像差，从而提高稳定性、确保探测灵敏度。

总之，由于光学仪器在军事、工业、医疗、通讯、测试等领域的广泛应用，而自适应光学技术在提高仪器的性能、抗干扰、稳定性等方面具有独特的作用，伴随系统集成和单元技术的不断发展改进和成熟，成本的不断下降，这门科学技术必将会在军用、民用各个行业有更广阔的发展空间，并创造出社会和经济效益。