自適應光學系統(tǒng)應用介紹

自適應光學系統(tǒng)簡介

   自適應光學系統(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。自適應光學系統(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的光程長度，達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。其中在自適應光學系統(tǒng)中應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），其具有響應速度快、變形位移量大、工作譜帶寬、光學利用率高、實現(xiàn)方法多的優(yōu)良特性。

自適應光學系統(tǒng)能夠?qū)崟r測量并補償各種干擾引起的光學系統(tǒng)的波前畸變，使光學系統(tǒng)具有自動適應外界條件變化從而保持jia工作狀態(tài)的能力?；谶@樣的優(yōu)點，自適應光學一直以來被廣泛應用于天文觀測和激光傳輸?shù)阮I域，獲得了極大的認同。而本世紀初隨著其它領域?qū)ψ赃m應光學的逐漸增長的興趣，其應用范圍開始擴展，包括人眼視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)、激光通信系統(tǒng)等。

 
自適應光學系統(tǒng)的應用

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

 
1．成像觀測用自適應光學系統(tǒng)

所有的大口徑的望遠鏡如今都在使用自適應光學系統(tǒng)來改善系統(tǒng)的成像質(zhì)量。這些系統(tǒng)有多種不同的應用目標，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 自適應光學系統(tǒng)使用177 單元的變形鏡（DM）和單獨的傾斜鏡（TTM），使用哈特曼-夏克波前傳感器在可見光波段進行波前誤差的探測，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 望遠鏡上裝備的的自適應系統(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 米望遠鏡裝配了叫做“Hokupa'a”自適應系統(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，大大降低了自適應光學系統(tǒng)的成本。在早期的實際觀測中發(fā)現(xiàn)自適應系統(tǒng)的使用使成像的峰值強度提高了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到0.3。而在美國毛伊島空*基地的3.67米的先進光電望遠鏡系統(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光學系統(tǒng)

采用自適應光學技術(shù)對激光光束進行光束凈化，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)自適應光學技術(shù)和腔外自適應光學技術(shù)。腔內(nèi)自適應光學技術(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，改善激光的光強和相位分布，提高輸出功率；腔外自適應光學技術(shù)是將波前校正器置于激光諧振腔外，利用波前補償?shù)脑砀纳萍す馄鬏敵龉馐南辔环植?，以達到提高遠場能量集中度的目的。腔內(nèi)自適應光學校正相對來說技術(shù)更為復雜，因為激光腔內(nèi)模式的產(chǎn)生過程本身就很復雜，需要進行數(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)從而對輸出強度分布進行調(diào)制。相比之下，腔外自適應光學系統(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光學技術(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一步運用到戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)激光武器領域，2001年在白沙靶場進行的車載固體戰(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載激光武器(Air-Born Laser，ABL)計劃更是把自適應光學技術(shù)作為核心技術(shù)之一，雖然終該系統(tǒng)未能實現(xiàn)預期戰(zhàn)略目標在2011年被宣告終止，但其中期性能演示已經(jīng)成為自適應光學技術(shù)的廣告。

 
3． 光通信自適應光學系統(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，利用該技術(shù)可以進行大容量、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域都具有極大的應用和發(fā)展?jié)摿?。巨大的應用需求直接促進了大氣光通信技術(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90 年代以來許多研究人員嘗試使用自適應光學技術(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，在星地鏈路方面運用相位補償原理進行傳輸校正的效果較好，但水平鏈路的傳輸由于大氣的強閃爍等原因還沒有獲得十分理想的結(jié)果，有待進一步的研究。

在光通訊方面，光纖技術(shù)的巨大發(fā)展使光開關代替電子開關成為必須，自適應光學技

術(shù)可以提高光纖耦合效率，采用變形鏡技術(shù)進行單模光纖開關的試驗應用，可以消除像差，提高耦合效率，開關大頻率可達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。自適應光學技術(shù)將成為光通訊的支撐技術(shù)之一。

自適應技術(shù)在光網(wǎng)絡應用也越來越成熟。自適應比自動交換更進一步, 是下一代光網(wǎng)絡的發(fā)展方向。較之ASON, 自適應光網(wǎng)絡擁有更好的自適應和自組織能力, 它能夠?qū)Ω鞣N業(yè)務實現(xiàn)自適應地接入。根據(jù)業(yè)務要求和實際網(wǎng)絡狀況, 自適應地調(diào)整節(jié)點傳輸參數(shù), 優(yōu)化網(wǎng)絡性能。可以說, 自適應光網(wǎng)絡在ASON 自動連接管理的基礎上, 能夠?qū)崿F(xiàn)光傳送層的自動管理和優(yōu)化。自適應光網(wǎng)絡技術(shù)對未來光通信領域的發(fā)展具有重要意義。

4． 視網(wǎng)膜自適應光學成像系統(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)學方面的研究重點。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)無法達到衍射極限，也就無法實現(xiàn)高分辨率的眼科成像，自適應光學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，而自適應光學技術(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大學視覺科學中心的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)了自適應光學的視網(wǎng)膜成像橫向空間分辨率到達2um，已經(jīng)能夠分辨視細胞。此后科學家又將光學相干層析技術(shù)（optical coherence tomography，OCT）和激光共焦掃描檢眼鏡（confocal scanning laser ophthalmoscopy，CSLO)分別與自適應光學結(jié)合，使得縱向和橫向分辨率都到了細胞水平，三維細胞分辨的視網(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，應用自適應光學技術(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，由于光學儀器在工業(yè)、醫(yī)療、通訊、測試等領域的廣泛應用，而自適應光學技術(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)展改進和成熟，成本的不斷下降，這門科學技術(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)濟效益。