自适应光学：大气湍流扰不乱

在人类感知外界环境的信息中，视觉信息占据了重要地位，而光更是作为视觉信息的基础。什么是光，如何利用光，是历代科学家们探索的重要课题。随着科学的进步，光学仪器的发明和应用取得了巨大的进展。宇宙是什么，世界又从何而来，仰望星空，望远镜的出现标志着人类探索宇宙的开始。

望远镜的历史可以追溯到17世纪初，在1609年伽利略发明了人类历史上第一台天文望远镜，并首次将望远镜应用于天文观测。他通过自制的望远镜观察到了月球的环形山、木星的卫星以及太阳黑子等天文现象，开创了现代天文学的先河。

图 1伽利略望远镜

光学望远镜的性能主要体现在集光能力和分辨率两个方面。理想情况下，望远镜的集光能力与其口径的平方成正比，分辨率则与光的波长成反比、与望远镜口径成正比。可知增大望远镜的口径就可以实现对更远、更微弱天体的高分辨率观测，如美国帕洛玛山天文台的海尔望远镜和夏威夷的凯克望远镜。然而，现实中的地球大气层却常常给天文观测带来挑战。大气湍流使得天体发出的光波波前相位发生随机扰动，导致成像画面扭曲变形乃至模糊，无法达到理论上的最佳分辨率。

所谓大气，便是包围地球的气体层，由多种物质混合而成，如氮气、氧气、氩气和二氧化碳等。大气的密度、温度、湿度和气压随高度变化，这使得大气成为一种非均匀介质。而地球对气流的拖曳作用、地表不同位置的温度差异以及地表热辐射引起的大气对流都会导致大气的随机运动，形成湍流。

当光波穿过大气层时，大气的折射率会影响光的传播路径。大气折射率取决于大气的温度、湿度、气压以及光的波长。大气湍流使得从太空而来的光束出现聚焦、偏折等现象，并出现光闪烁和光像抖动等现象。这种现象会导致望远镜的成像质量下降，使图像出现扭曲和变形，从而影响天文观测的分辨率。

图 2 大气湍流描述

英国物理学家Newton最早注意到大气湍流对光传播的扰动现象，补救方法是将大型天文望远镜建造在大气最为宁静的高山顶上，以减少大气湍流的影响。然而，即使这样仍然难以达到理想的观测条件。1953年，美国天文学家霍勒斯·巴布科克提出了一个大胆的想法：在地面望远镜上校正大气湍流引起的光学畸变。这一想法在当时被认为并不现实，因为没有成熟的光电和计算机技术作为支撑。但是这一超前的概念被认为是自适应光学技术的先驱。

到了1977年，Hardy等人成功构建了第一个能够校正二维图像的自适应光学系统，标志着这一技术的实际应用。1989年，欧洲南方天文台（ESO）和美国国家光学天文台（NOAO）共同资助了第一个民用自适应光学系统，名为“Come-on”。该系统安装在法国Haute Provence天文台的1.52米望远镜上，实现了在2.2微米波段的衍射极限成像。通过实时监测和补偿大气湍流引起的波前畸变，自适应光学技术可以显著提升望远镜的分辨率，使得我们能够更加清晰地观测到宇宙中的天体。

在没有任何像差的情况下，从天体发出的光波在进入地球大气层前是平面波，然而大气会导致光波的波前畸变。自适应光学技术通过实时补偿这些大气效应，使地面望远镜能够达到理论上的衍射极限分辨率。自适应光学结合了世界上最大型的望远镜和最先进的科学仪器，成为探索和理解宇宙的重要工具。

自适应光学系统的工作原理可以通过一个简单的示意图来说明，关键技术包括变形镜、波前传感器和导星。畸变的波前进入望远镜后，首先被一个倾斜镜和一个变形镜反射，一部分光线被引导到波前传感器（WFS），用于测量波前的畸变。

倾斜镜可以校正波前的倾斜运动，而变形镜则进行更高阶的波前形状的校正。变形镜由多个独立可控的小镜面组成，通过调节这些小镜面的形状，动态补偿波前的畸变，校正光波的相位误差。最终，校正后的波前传输到高分辨率相机中，实现理论上的衍射极限分辨率，补偿地球大气层的模糊效应。

图 3 AO概念图

波前传感器是自适应光学系统的三大核心技术之一，起着波前控制的基础作用。根据其基本工作原理，波前传感技术可以大致分为三类：基于强度的反向相位传感、基于波前斜率或曲率的波前传感以及基于干涉的波前传感。在天文学中，常用Shack-Hartmann波前传感器（SHWFS）、金字塔波前传感器（PWFS）和曲率波前传感器（CWFS）来实时监测进入望远镜的光波畸变，并将测量信息传递给控制系统，根据这些信息调整变形镜的形状。

图 4 三种波前传感器示意图

（a）基于强度的反向相位传感（b）基于波前斜率或曲率的波前传感（c）基于干涉的波前传感

导星提供参考光源，分为两种类型：自然导星和激光导星。自然导星是指天空中的天体，可以是明亮的恒星，也可以是角度很小的行星、卫星、小行星，甚至是星系的亮核。在自适应光学技术的早期阶段，系统使用天狼星作为导星，以在等效光斑范围内实现衍射极限校正。然而适合的自然导星数量极为有限。为了克服自然导星的限制，科学家们开发了激光导星技术。激光导星可以在天空的任意位置生成明亮的参考光源，从而大大扩展了自适应光学系统的适用范围。激光导星主要有三种类型：瑞利激光导星、钠层激光导星和光纤激光导星。

通过这些技术的协同工作，自适应光学系统能够实时校正大气湍流带来的光学畸变，显著提高望远镜的成像质量，使地基望远镜能够更清晰、更精确地观测宇宙中的天体。

自适应光学技术的应用领域广泛而多样，其强大潜力在多个方面得到了展现。除了在天文观测应用外，自适应光学在军事领域，被用于观测人造卫星和地面目标的高分辨率成像。美国的星火光学靶场和先进电光系统是早期应用自适应光学技术的军事望远镜代表。

图 5 人造卫星望远镜 (a) 星火光学靶场 3.5m 望远镜 (b) 先进电光系统

此外，自适应光学技术还被广泛应用于自由空间光通信（FSOC）系统中，还在医学领域展现出巨大潜力，与光学相干层析（OCT）和激光共焦扫描（CLS）技术相结合，实现了对人眼视网膜的高分辨率成像。

参考文献

王凯迪.大气湍流波前畸变的自适应光学校正技术研究[D].中国科学院大学,2021.

Rao, C., Zhong, L., Guo, Y. et al. Astronomical adaptive optics: a review. PhotoniX 5, 16 (2024).

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作者：蔡文垂 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 研究生

审核：李明 中国科学院高能物理研究所 研究员