自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用介紹

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)簡介

   自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)主要包含三個基本組成部分：波前傳感器、波前校正器和波前控制器。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的能動器件就是波前校正器，它通過改變光束橫截面上各點(diǎn)的光程長度，達(dá)到校正波前畸變的目的。一般可以通過反射鏡面的位置移動或傳輸介質(zhì)折射率的變化來實現(xiàn)光程長度的改變。其中在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用為廣泛的是基于反射鏡面位置移動的波前校正器（通常稱為變形鏡），其具有響應(yīng)速度快、變形位移量大、工作譜帶寬、光學(xué)利用率高、實現(xiàn)方法多的優(yōu)良特性。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崟r測量并補(bǔ)償各種干擾引起的光學(xué)系統(tǒng)的波前畸變，使光學(xué)系統(tǒng)具有自動適應(yīng)外界條件變化從而保持jia工作狀態(tài)的能力。基于這樣的優(yōu)點(diǎn)，自適應(yīng)光學(xué)一直以來被廣泛應(yīng)用于天文觀測和激光傳輸?shù)阮I(lǐng)域，獲得了極大的認(rèn)同。而本世紀(jì)初隨著其它領(lǐng)域?qū)ψ赃m應(yīng)光學(xué)的逐漸增長的興趣，其應(yīng)用范圍開始擴(kuò)展，包括人眼視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)、激光通信系統(tǒng)等。

 
自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用

大多數(shù)實際使用的自適應(yīng)系統(tǒng)都用在天文成像領(lǐng)域，但是隨著自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，主要是器件實現(xiàn)方式的多樣性，自適應(yīng)光學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了較大的拓展。

 
1．成像觀測用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

所有的大口徑的望遠(yuǎn)鏡如今都在使用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來改善系統(tǒng)的成像質(zhì)量。這些系統(tǒng)有多種不同的應(yīng)用目標(biāo)，也是用了各種各樣的變形鏡、波前傳感器等技術(shù)。2003年裝備Gemini North 的ALTAIR 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)使用177 單元的變形鏡（DM）和單獨(dú)的傾斜鏡（TTM），使用哈特曼-夏克波前傳感器在可見光波段進(jìn)行波前誤差的探測，系統(tǒng)工作頻率為1kHz，在K波段獲得了0.1角秒的分辨率。而在10米口徑的KECK II 望遠(yuǎn)鏡上裝備的的自適應(yīng)系統(tǒng)使用349單元變形鏡配合哈特曼-夏克波前傳感器，使得該望遠(yuǎn)鏡在0.85um 和1.65um 波段分別獲得了0.022角秒和0.04 角秒的分辨率。在MaunaKea 山頂，Canada-France-Hawaii 3.6 米望遠(yuǎn)鏡裝配了叫做“Hokupa'a”自適應(yīng)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的特別之處在于它是用了一個36單元的雙壓電片變形鏡和36單元的曲率傳感器，大大降低了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的成本。在早期的實際觀測中發(fā)現(xiàn)自適應(yīng)系統(tǒng)的使用使成像的峰值強(qiáng)度提高了30倍。這個數(shù)據(jù)是在0.936um的觀測波段，校正后的斯特列爾比達(dá)到0.3。而在美國毛伊島空*基地的3.67米的先進(jìn)光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（Advanced ElectroOptical System Telescope，AEOS）則是使用941單元的變形鏡，主要用于空間目標(biāo)識別，其系統(tǒng)規(guī)模是極其龐大的。

 
2． 用于激光裝置的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)對激光光束進(jìn)行光束凈化，是提高激光器輸出光束質(zhì)量的重要手段，一般可分為腔內(nèi)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)和腔外自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)。腔內(nèi)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是將波前校正器置于激光諧振腔內(nèi)，用來校正諧振腔的靜態(tài)和動態(tài)像差，使激光諧振腔保持正確的諧振條件，改善激光的光強(qiáng)和相位分布，提高輸出功率；腔外自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是將波前校正器置于激光諧振腔外，利用波前補(bǔ)償?shù)脑砀纳萍す馄鬏敵龉馐南辔环植迹赃_(dá)到提高遠(yuǎn)場能量集中度的目的。腔內(nèi)自適應(yīng)光學(xué)校正相對來說技術(shù)更為復(fù)雜，因為激光腔內(nèi)模式的產(chǎn)生過程本身就很復(fù)雜，需要進(jìn)行數(shù)值仿真來迭代分析。早在1980年代，就有一系列的針對非穩(wěn)腔CO2 激光器進(jìn)行校正的理論分析和實驗結(jié)果，但實驗結(jié)果表明，很難取得良好的校正效果而往往只能校正少量的人工引入的誤差。90 年代以后，俄羅斯科研人員針對Nd:YAG 激光在開展校正工作，Cherezova 等的論文總結(jié)了他們的研究結(jié)果。他們成功地將多模光束的發(fā)散角壓縮了兩倍。他們還發(fā)現(xiàn)某些變形鏡的模式能夠產(chǎn)生方形或三角形的模式結(jié)構(gòu)。Kudryashov 和Samarkin 采用水冷的雙壓電片變形反射鏡來對高能的CO2 激光器進(jìn)行腔內(nèi)校正，研究表明通過改變變形鏡的焦距能夠調(diào)整諧振腔參數(shù)從而對輸出強(qiáng)度分布進(jìn)行調(diào)制。相比之下，腔外自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)要更廣為人知，典型的代表是慣性約束核聚變(ICF)和激光武器系統(tǒng)。現(xiàn)有世界上主要的慣性約束核聚變系統(tǒng)，如美國的國家點(diǎn)火裝置（NIF），法國的兆焦耳激光裝置（LMJ），日本的GEKKO 裝置，以及我國的神光裝置等都采用了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)來改善和控制激光光束質(zhì)量。此外美國將之前的研究成果進(jìn)一步運(yùn)用到戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)激光武器領(lǐng)域，2001年在白沙靶場進(jìn)行的車載固體戰(zhàn)術(shù)激光武器系統(tǒng)攔截彈道daodan的試驗成功，而更為雄心勃勃的機(jī)載激光武器(Air-Born Laser，ABL)計劃更是把自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)作為核心技術(shù)之一，雖然終該系統(tǒng)未能實現(xiàn)預(yù)期戰(zhàn)略目標(biāo)在2011年被宣告終止，但其中期性能演示已經(jīng)成為自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的廣告。

 
3． 光通信自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

大氣光通信是指以激光作為信息載體、大氣作為傳輸通道進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，包括衛(wèi)星與地面站之間以及地面站與地面站之間進(jìn)行的通信。大氣光通信結(jié)合了光通信與無線通信的優(yōu)點(diǎn)，利用該技術(shù)可以進(jìn)行大容量、高速的數(shù)據(jù)、語音、圖像等信息傳遞并且無需任何有線通道。所以在衛(wèi)星通信、本地寬帶接入和通信領(lǐng)域都具有極大的應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿Α＞薮蟮膽?yīng)用需求直接促進(jìn)了大氣光通信技術(shù)的發(fā)展，但其中大氣湍流對通信質(zhì)量的影響同樣給研究人員帶來困擾。20 世紀(jì)90 年代以來許多研究人員嘗試使用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)來降低大氣湍流對通信質(zhì)量的影響，也取得了一些重要的研究成果，在星地鏈路方面運(yùn)用相位補(bǔ)償原理進(jìn)行傳輸校正的效果較好，但水平鏈路的傳輸由于大氣的強(qiáng)閃爍等原因還沒有獲得十分理想的結(jié)果，有待進(jìn)一步的研究。

在光通訊方面，光纖技術(shù)的巨大發(fā)展使光開關(guān)代替電子開關(guān)成為必須，自適應(yīng)光學(xué)技

術(shù)可以提高光纖耦合效率，采用變形鏡技術(shù)進(jìn)行單模光纖開關(guān)的試驗應(yīng)用，可以消除像差，提高耦合效率，開關(guān)大頻率可達(dá)1KHZ，耦合效率由9%升至46%。變形鏡的相位調(diào)制技術(shù)還可以用于光信息編碼、全息記錄系統(tǒng)和激光自由空間通訊技術(shù)的試驗。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)將成為光通訊的支撐技術(shù)之一。

自適應(yīng)技術(shù)在光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也越來越成熟。自適應(yīng)比自動交換更進(jìn)一步, 是下一代光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。較之ASON, 自適應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)擁有更好的自適應(yīng)和自組織能力, 它能夠?qū)Ω鞣N業(yè)務(wù)實現(xiàn)自適應(yīng)地接入。根據(jù)業(yè)務(wù)要求和實際網(wǎng)絡(luò)狀況, 自適應(yīng)地調(diào)整節(jié)點(diǎn)傳輸參數(shù), 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。可以說, 自適應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)在ASON 自動連接管理的基礎(chǔ)上, 能夠?qū)崿F(xiàn)光傳送層的自動管理和優(yōu)化。自適應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對未來光通信領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

4． 視網(wǎng)膜自適應(yīng)光學(xué)成像系統(tǒng)

眼睛是人類感知世界的“信息之窗”，約80%~90%的外部信息經(jīng)由視覺通道進(jìn)入人類的意識世界。因此，對人眼的視覺分析特別是視網(wǎng)膜區(qū)域的高分辨率成像研究一直都是國外生物醫(yī)學(xué)方面的研究重點(diǎn)。實驗表明如果能夠在7mm 瞳孔直徑的情況下也能以衍射極限成像的話，就能用儀器順利看到視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞。但人眼由于角膜及晶狀體結(jié)構(gòu)的不使經(jīng)過的光線產(chǎn)生波前誤差，而且其大小和形式因人因時而變，不可能采用施加固定校正的方法解決。這使得一般的眼科成像系統(tǒng)無法達(dá)到衍射極限，也就無法實現(xiàn)高分辨率的眼科成像，自適應(yīng)光學(xué)正好可以解決這樣的問題。通過眼底視網(wǎng)膜圖像，可以發(fā)現(xiàn)多種人體疾病病變信息，如心腦血管及內(nèi)分泌失調(diào)，正常人和老年性黃斑，中心性漿液性脈絡(luò)視網(wǎng)膜病變等；但人眼象差除離焦、像散外，還包含高階像差，降低了成像分辨力，傳統(tǒng)的眼科測量技術(shù)無法克服這些高階像差，而自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)用于人眼視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)，則可以獲得更加清晰的眼底視網(wǎng)膜圖像。美國Rochester大學(xué)視覺科學(xué)中心的Junzhong Liang 等人使用217子孔徑的哈特曼-夏克波前傳感器配合37單元的變形反射鏡在上首先實現(xiàn)了自適應(yīng)光學(xué)的視網(wǎng)膜成像橫向空間分辨率到達(dá)2um，已經(jīng)能夠分辨視細(xì)胞。此后科學(xué)家又將光學(xué)相干層析技術(shù)（optical coherence tomography，OCT）和激光共焦掃描檢眼鏡（confocal scanning laser ophthalmoscopy，CSLO)分別與自適應(yīng)光學(xué)結(jié)合，使得縱向和橫向分辨率都到了細(xì)胞水平，三維細(xì)胞分辨的視網(wǎng)膜成像成為可能。這些技術(shù)都成為人眼視科學(xué)研究的新式利器。近年來系統(tǒng)向著高分辨率、小型化、廉價、安全穩(wěn)定的方向發(fā)展，出現(xiàn)了大量研究成果的報道。

在一些的光學(xué)儀器上，如測量宇宙重力波的長光程激光干涉測量儀LIGO、多光子共焦掃描顯微鏡，應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以校正儀器的靜態(tài)或激光泵浦放大引入的動態(tài)像差，從而提高穩(wěn)定性、確保探測靈敏度。

總之，由于光學(xué)儀器在工業(yè)、醫(yī)療、通訊、測試等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，而自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在提高儀器的性能、抗干擾、穩(wěn)定性等方面具有*的作用，伴隨系統(tǒng)集成和單元技術(shù)的不斷發(fā)展改進(jìn)和成熟，成本的不斷下降，這門科學(xué)技術(shù)必將會在民用各個行業(yè)有更廣闊的發(fā)展空間，并創(chuàng)造出社會和經(jīng)濟(jì)效益。