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自适应光学

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自适应光学(Adaptive optics,AO)使用波前调制器件矫正因外界干扰造成光波波前畸变,从而改进光学系统性能的技术。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,用于矫正望远镜由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变,这项技术超越了当时技术水平的极限,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,美国军方将自适应光学的研究资料解密,加上后来的计算机和光学技术水平提高,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。
 
望远镜的像质的好坏除了受到大气层湍流的影响,还有自身问题,望远镜是一个复杂的光学系统,有非常多的光学元器件,任何机械、温度、光学元器件表面的加工误差和材料的不均匀性等都会引起的波前扭曲,形成成像过程中的光学像差,导致聚焦光斑弥散。对于一台口径四米的望远镜来说,仅大气湍流就能使其空间分辨率降低了一个数量级,无法达到衍射极限的分辨率。人类把哈勃望远镜发送到太空进行观测,最主要原因就是避免大气湍流的影响。于是,科学家们为了看的更加清楚,排除大气层的干扰,开发了自适应光学技术,从而得到清晰的图像。目前,自适应光学已经逐步成为大型天文望远镜广泛使用的技术,为建造超大口径的望远镜奠定了坚实的基础。
 
除了应用到望远镜上提高成像精度,近年来自适应光学技术拓展到了生物成像方面,尤其是人眼视网膜成像方面,利用自适应光学大大增强了我们对视网膜的观测清晰度。另外,采用了自适应光学技术将多束激光聚焦到很小的面积上以提高能量密度,用于激光控制核聚变,或者用作激光武器,产生很强的破坏性。
 
波前校正器通常用于自适应光学系统中对波前误差,在外加控制下,实现高精度的光学相位补偿。变形镜是常用的波前校正器件,具有光程校正量与波长无关、能承受较高功率等优点,然而变形镜制造技术复杂、价格昂贵、能耗高、分辨率偏低,限制了其广泛应用。而液晶空间光调制器空间分辨率高、能耗低、体积小、易于控制、价格低廉,成为波前校正器的主要发展方向。

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