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应用中心 —— 自适应光学解决方案

自适应光学(Adaptive optics,缩写为AO)是一項使用可变形镜面矫正因大气抖动造成光波波前发生畸变,从而改進光學系統性能的技術。自适应光学的概念和原理最早是在1953年由海尔天文台的胡瑞斯·拜勃库克(Horace Babcock)提出的,但是超越了当时的技术水平所能达到的极限,只有美国军方在星球大战计划中秘密研发这项技术。冷战结束后,1991年5月,美国军方将自适应光学的研究资料解密,计算机和光学技术也足够发达,自适应光学技术才得以广泛应用。配备自适应光学系统的望远镜能够克服大气抖动对成像带来的影响,将空间分辨率显著提高大约一个数量级,达到或接近其理论上的衍射极限。第一台安装自适应光学系统的大型天文望远镜是欧洲南方天文台在智利建造的3.6米口径的新技术望远镜。目前越来越多的大型地面光学/红外望远镜都安装了这一系统,比如位于夏威夷莫纳克亚山的8米口径双子望远镜、3.6米口径的加拿大-法国-夏威夷望远镜、10米口径的凯克望远镜、8米口径的日本昴星团望远镜等等。自适应光学已经逐步成为各大天文台所广泛使用的技术,並为下一代更大口径的望远镜的建造开辟了道路。

 

自适应光学原理

自适应光学的目的是修复大气湍流等因素对光波波前的扭曲。自适应光学首先要检测波前扭曲情况,然后通过安装在望远镜焦面后方的一块小型的可变形镜面对波前实时进行矫正。可变形镜面后安装有促动器。自适应光学与主动光学不同,后者通过改变主镜的形状调整因重力形变等因素造成的像质扭曲,前者用于补偿大气湍流带来的影响。目前安装在口径8米左右的地面大型光学天文望远镜上的可变形镜面尺寸为8到20厘米,促动器数量为数百个到数千个不等,每次调整要在0.5到1毫秒的时间内完成,否则大气抖动将造成波前扭曲情况发生改变。自适应光学需要以很高的频率调整镜面形状,因而可变形镜面尺寸一般比较小,对材料的要求很高。曾发生过变形镜无法承受高频调整而碎裂的事故。此外,还要求促动器的数量足够多,由此还会带来成本提高、运算量过大等一系列问题。目前,天文望远镜上的自适应光学更多用于红外观测,而非可见光观测。可见光波段的自适应光学已经广泛用于侦察卫星的小口径望远镜上。