自适应光学
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第198页（6828字）
大型光学系统，如天文望远镜、集光镜、中继镜、激光发射接收系统等，影响系统光学质量的误差源可分为低频和高频成分两大类。
属低频成分的有：理论误差、设计及制造误差，结构及支架的维修误差，热畸变、重力形变及机械变形等，其带宽自直流到约0．1Hz属高频成分的有：外界空气热影响、来自阵风的反射镜变形、跟踪误差、大气湍流及激光经大气时的热晕等，其带宽的范围由1Hz到1×103Hz，其中大气湍流带宽可高达1000Hz。如何克服以上误差是光学工作者不懈研究的课题。至20世纪中期，利用传统光学技术，系统一经制成，特性即已确定，无法校正低频干扰及实时校正各种动态干扰，以“被动”为特征。以大气湍流影响为例，自伽利略时代起，天文学家利用增大望远镜孔径及采用更加灵敏的探测器的方法，使观察灵敏度提高了近106倍。但直到近期，由于无法克服大气湍流形成的波前动态扰动，即使用孔径5～6m的望远镜在最好的站址，观星的角分辨率为0．5″左右，仅相当一台孔径为10cm的望远镜的分辨率。1953年，Babcock首先提出校正波前动态误差的思想：实时测定畸变波前，经反馈，控制波前校正器。
补偿畸变使系统达到理想状态，即让光学系统具有感知外界扰动，自动调整工作状态和参数，校正动态误差的自适应能力。以上思想，原则上为克服自直流至高频各种成分提出了崭新的思路，是光学科学中新出现的两个分支学科：自适应光学和能动光学的基础。
自适应光学和能动光学这两个学科，通常以校正误差的通带区分：补偿带宽小于0．1Hz误差的系统称为能动光学系统；而补偿高频误差，特点别大扰动和热晕的系统为自适应光学系统。
从实质上看，这两个学科的概念、理论和技术基本是相同的，界面难以区分。自适应光学奠基人之一的J．W．Hardy在1991年综述评论“Adaptive Optics-a Progress Review”中，已将能动光学和自适应学合于自适应光学范畴讨论。R．K．Tyson在1991年出版的专着“Principles of Adaptive Optics”中更将自适应光学简洁地定义为“利用环境信息改进光学信号质量的科技领域”赋予该学科更广阔的内涵。
从学科不宜划分太窄出发，自适应光学和能动光学应该合一，而统一以自适应光学涵盖。自适应光学是一门新兴、交叉、高科技学科，与其关系最密切的相关学科有近代光学、应用光学、大气光学、信息科学、光电子学、电子学、微电子学、计算机科学、精密机械、自动控制、材料科学等，其系统与技术进展又多赖于近代光学制造工艺与检测、光电探测器与技术、超高速数据处理、微驱动器件与技术等高新技术研究成就。
发展自适应光学的原动力主要来自天文学和军事需要。天文学家利用它克服大气扰动，提高望远镜的角分辨率，以求达到衍射极限，同时使点源像更集中，改善信噪比，提高探测灵敏度。
军事上用以快速精密跟踪、指向，建立高分辨率望远镜侦察识别目标。星球大战计划中利用自适应光学提高激光到达靶标的能量密度，是激光武器的关键技术。
此外，用于天文、侦察、遥感、战略防御等各种用途的空间光学系统，为克服设计、制造及热、结构变形等误差也必须采用自适应光学。自1953年以来，自适应光学发展大致可分为3个阶段。
(1)1953年至70年代中期为基础研究阶段，主要进行基础理论研究和系统预研。在此阶段，研究和发展了大气扰动理论。激光通过大气热晕模型，各种自适应光学系统理论模型、波面探测、重构和控制理论与技术等在预研方面广泛进行了计算机模拟设计，并研制成旋转光栅剪切波面传感器，硬件信号处理电路及多道变形镜等关键单元器件。由于在可见光区运用自适用光学实时校正大气扰动的技术要求很高，难度很大，例如，需几十至上千单元的多路平行校正，几百Hz的系统带宽，λ／10的波前校正精度以及对相当于6等星的探测，一次采样光子流密度小于1000光子／cm2·s等。
因此，作为全系统研究发展较缓慢，没有可供实用的系统报导。(2)70年代中期至80年代末为发展阶段。以1976年1月A．Buffington等人在Lick和Leuschner天文台利用像锐化自适应光学系统首次完成星像的实时校正为标志，随着近代光学、光电子学、微电子学等的进展，自适应光学进入新的发展阶段。在理论、系统用单元技术研究方面均取得重大进展。
具有代表性的有：提出激光导星，多层共轭校正，局部校正等理论。美国发展了多项激光束补偿计划：大气补偿实验ACE，短波长自适应光学技术SWAT，低功率激光大气补偿实验卫星LACE和激光中继镜实验卫星RME等。由美国、欧洲各国和中国等研究发展近20项大型自适应光学成像补偿系统，有些已取得了重大进展；旋转光栅剪切波面及H-S波前传感器已趋成熟，分立表面及连续表面多道变形镜技术取得重大突破等。(3)90年代起，自适应光学步入成熟及推广应用阶断。1990年至1991年，自适应光学取得两项里程碑式的成就。
在天文应用方面，欧洲各国的COME-ON计划利用3．6m望远镜在2．23μm处取得5等星像点半高宽0．18″的成绩。
在军事方面，LACE卫星试验SWAT计划成功，达到60cm口径近衍射极限分辨率0．2″水平并成功地同时运用了合作信标和激光瑞利导星信标两种方式工作。上述成就标志着科学界现已掌握自适应光学系统的理论、设计和制造技术，自适应光学已步入成熟及应用期。
随国际局势剧变，美国军方对自适应光学的研究于1991年5月部分解密，其所得的高水平成果对自适应光学的研究是极大的推动。
80年代以来自适应光学在系统和单元技术的主要进展如下。
激光导星 1981年J．Feinllib在美国国防部的秘密报告中首先提出利用激光通过大气散射产生激光导星的建议。瑞利导星产生于10km以下低高度处。
1982年W．Happer在秘密的Jason报告中提出用589nm激光射至90～100km处大气散逸层的钠原子层产生共振散射形成激光钠导星的建议，由于钠共振散射截面很大，在相同高度，激光钠导星可比瑞利导星亮1000倍。由于人造的激光星可产生于天空任何位置，即可解决自适应光学系统缺乏足够参考星和导星，天空复盖率很低的难题。
激光导星在军事上还可用作信标。在激光导星研究方面，美国国防部DOD的研究始终处于领先地位。
1988年8月MIT林肯实验室Primmerman研究组利用夏威夷Haleakala山上60cm孔径望远镜首先完成用瑞利导星校正星像的闭环实验。该组用512nm，5Hz重复率，2J／Pulse的染料激光器，在8km以下高度产生瑞利导星，利用有241个作动器的变形镜在可见光区完成对一等星Procyon的闭环校正，所获星像基本达到衍射极限，校正后星像的峰值强度比未校正高10倍。1989年2月菲利浦实验室的Fugate研究组完成了类似实验，利用铀蒸汽激光器在10km高度产生瑞利导星，在800nm近红外区完成对单星和双星的闭环校正。1984年12月Primmerman研究组在白沙基地首先完成产生钠激光导星的试验，在大气钠原子散逸层产生直径1m的光斑。
由于缺乏适用的激光器，科学界至今未完成钠星闭环校正实验f。为克服聚焦非等晕误差及配合多共轭自适应光学研究，必须研究激光导星技术。1990年10月Primmerman研究组利用两个染料激光器多产生两个相隔30cm的远的瑞利导星，并在原理实验中证实了可利用多导星信息合成获得总波前。
激光补偿自适应光学系统 为研究激光束自动诊断、净化，高精度捕获、跟踪、瞄准及激光经大气传播的校正，美国自80年代以来开展多项激光补偿自适应光学系统研究。
着名的短波长自适应光学试验SWAT站，1988年8月首次完成用瑞利导星进行大气湍流校正的试验。1990年2月14日美国发射了用于激光武器的LACE和RME卫星，其实验情况为：对LACE，当卫星由Maui岛上空飞过时，首先向卫星发射一束激光，测量大气扰动引起的光束畸变，然后再向卫星的探测器阵列发射一束测试数据用于改进激光束经补偿的激光束聚在靶标上的能量密度，改进地基激光武器。
1991年利用LACE进行的SWAT试验60cm孔径、0．2″的衍射分辨率。并首次试验了卫星上后向反射合达作信标和瑞利激光星两种信标方式。
对RME，主要是验证激光束精密跟踪和指向，当RME飞过Maui岛时，首先由岛上两部448nm和514．5nm低功率氩激光器照射RME，使中继镜准确地把它反射回设在岛上的靶标上。RME实验首次于1990年6月25日完成，在RME实验中激光束精确返回靶标，精度优于0．2″。RME的指向和跟踪精度比以前在飞机或卫星中进行的类似实验高两个数量级，证实了空间中继镜中继地基激光的可行性，亦增加了SDIO制造定向能战略武器的信心。另一项波前控制实验WCE是Kaman Aerospace公司预定为Star Lab计划的激光束校正系统。
其目的是演示空间捕获、跟踪瞄准平台ATP。实验采用自适应光学校正接收波前以改善成像、跟踪性能，发射模拟高能激光束，并用自适应光学改善目标辐照。
自适应成像补偿系统 80年代以来，全世界已完成和在建的大型自适应成像补偿系统近20个，其中仅美国、欧洲和中国完成了实时校正大气湍流星体成像。由欧洲各国共同完成的COME-ON自适应光学系统为自适应成像补偿系统发展的里程碑。
由于自适应光学用于近红外较可见区有很大优越性：校正单元少、通带窄、等晕角大，导星天空复盖率高等，故该系统采用首先突破近红外波段的思想，为第一台采用可见光探测近红外校正双色系统的自适应望远镜。1989年10月和11月COME-ON用Haute省天文台的1．52m望远镜，获得5等星2．2μm处的衍射极限像。1990年4月利用COME-ON的改进型，在ESO La Silla Chile 3．6m望远镜上获得近红外不同波段的校正橡，其中在2．23μm，K波段处获得星像FWHM 0．18″，相对未校正时信噪比增益12的最好结果。1991年4月24日又在K波段获得BU411双星的校正像，双星距为1．3″，FWHM改进为0．14″。
近期，G．Gehring等利用此系统还获得Sorthern Srar Carina猛烈爆炸喷射气体、尘埃的多光谱图(2μm、4μm、5μm)，图中显示出复杂的喷射图像。COME-ON突出的天文学成果令人信服地证实了自适应光学的应用潜力。
特别是，这些成果的取得用是少量作动器(19个)仅约10Hz的带宽和0．03的光学透过率取得的，这就证明了利用较简单、价廉、市售的器件和技术即可构成成功的自适应光学系统。
补偿低带宽误差的大型光学系统 补偿带宽小于0．1Hz的光学误差的系统是下一代地基望远镜和空间光学系统的关键。
已制成直径3．5m的蜂窝轻质反射镜，在轻质反射镜上再加上能动面形控制，可抑制低频面形误差。ITEK为美国空军制造LAMP系统，应用7块分块反射镜构成口径4m、f／1．25的抛物镜面，使用材料为ULE，每块分镜面由许多机电驱动器推动，全系统有312个控制通道，各块间由白光干涉仪控制同相。LAMP系统预定与Alpha化学激光器连接，进行天基激光武器试验。ESO的3．6m新技术望远镜(NTT)采用75个电驱动器控制能动薄镜面，主、次镜均为能动控制，面形可控制在(λ／20)rms范围。NTT的经验并用于ESO超大规模望远镜计划(VLT)中，该计划为当代最大的光学干涉仪计划，单镜为8．2m能动薄镜，4台这样的自适应望远镜相干构成基线长120m，相当有效孔径16m的干涉仪，理论角分辨率约2．1ms，超过现今最高水平约两个量级。在天基光学系统中，2．4mHubble空间望远镜主镜即为用自适应光学的能动镜。JPL正为NASA发展口径大于Hubble的大型可展开反射镜计划，此计划采用能动控制的多元精密分块镜。
Hartmann-Shack波前传感器的研究已趋成熟 F·Roddiet提出的曲率传感器，测量波面局部曲率，可不经任何中间运算直接控制双压电变形镜或薄膜变形镜，提供了一种适于校正低阶模的简洁、经济的部分校正方案。夏威夷大学研制应用曲率传感的自适应光学系统已于1991年在实验室校正人造卫星源成功。
光电探测器件与技术 广泛采用了像增强器CCD-ICCD，电子轰击背照明CCD-EBSCCD及红外列阵探测器等尖端的光电器件技术以及光子计数技术。
像元64×64，帧频5000Hz，700nm处量子效率为60%，电子读出噪声50e－的硅CCD阵列已有商品出售；128×128元，帧频40000Hz的器件亦已问世。
数据处理 自适应光学要求极高的数据处理速率。
如对100个通道、带宽100Hz的系统，计算速率要求为每秒1000万次乘加。现主要采用平行数字化乘加器实现，随计算机软硬件技术的发展，数据率超过每秒200Mbyte，每秒可作1．6×108定点运算的实时处理器已有市售。
波面较正器TTL公司制成512个单元的分立表面多道变形镜，该镜成功地用于口径1m，校正0．35μm紫外激光的自适应望远镜。
该公司还发展了模块制造技术，已具有制造9000单元镜的能力。
Itek公司利用新型材料PMN，发展了低电压电致伸缩变形镜LVEM，作动器数241个，校正±2．5μm，宽1000Hz，所施电压仅±75，已成功地用于多种激光补偿自适应系统，为当代领先的变形镜技术。模块化、集成化、微型化是发展变形镜技术的主要方向。
Arcetri天文台发展液晶波面校正器是值得注意的动向，如能突破普通液晶响应慢的缺点，可望在自适应光学系统中获得广泛应用。
我国自适应光学研究始于70年代末，多年来在系统和单元技术研究方面已取得重大进展。
(1)动态波前误差实时校正系统。
该系统用动态剪切干涉作波面探测，21单元变形反射镜为校正元件。1985年实现室内模拟目标闭环，1987年与Φ250mm望远镜对接实现室外水平光路大气湍流补偿，1990年9月利用光子计数技术进行波前探测，在云南天文台首次实现天体目标的全程大气实时校正，使中国成为继美国，欧洲多国COME-ON计划后在世界上第3个实现此目标的国家，研究水平达到世界先进行列。(2)高频振动法波前校正系统：用远场能量集中度为指标，高频振动爬山法进行自动寻优控制，19单元变形镜实现波前校正。
此系统用于上海光机所LF12高功率激光装置，使静态焦斑能量集中度提高3倍。(3)研制成多元整体压电变形镜、37单元变形反射镜、高速倾斜镜等关键器件，开发多种压电微位移驱动系统及精密平移器。
自适应光学正步入成熟期，当今世界上发达国家在研究或计划各种用途的空间光学系统及地基大型光学系统时均把采用自适应光学作为提高系统特性最重要的措施。
为发展我国的空间科学、天文学及提高战略防御能力，应巩固和发展我国在自适应光学研究方面已取得的成果和地位，并赶超世界先进水平。
自20世纪末至21世纪初，自适应光学的应用领域将大大扩展。由主要为军事和天文大型计划服务扩展到各个门类的光学仪器。可利用自适应光学改进各种激光系统、干涉仪、光谱仪、光盘机、成像及投影系统等。可以预见，采用系统优化概念并考虑到单元器件进入集成化、模块化生产。
用简单价廉的自适应光学系统即可改进光学系统性能的理想将成现实。采用自适应光学将成为一切光学仪器自动化、智能化的重要标志。
与此同时，生产和销售自适应光学单元器件和技术，如阵列透镜、波前传感与光电探测器集成单元、数据处理器、变形镜或其它位相校正器，乃至全系统的有关结构将逐渐形成。为迎接上述挑战，建议：加强对自适应光学的学术和科普宣传，使之为学术与工程界广泛了解；由各种计划和资金渠道扶植自适应光学的一般应用和发展研究，以拓宽其应用领域；选择研制已有基础，应用面广的单元器和技术(如微驱动器)为生产试点，发展新型产业结构。
(北京理工大学博士生导师俞信撰)