浅谈自适应光学（变形镜、波前传感器、自适应光学系统）

2024-11-14

自适应光学（Adaptive Optics，缩写为AO）是一项使用可变形镜面矫正因大气抖动造成光波波前发生畸变，从而改进光学系统性能的技术。以下是对自适应光学及其关键组件变形镜、波前传感器以及自适应光学系统的详细介绍：

一、变形镜

变形镜，又称波前校正器，是自适应光学系统中的核心部件之一。它通过改变光波波前传输的光程或改变传输媒介的折射率来改变入射光波波前的相位结构，从而达到对光波波面相位进行校正的目的。变形镜由许多单元组合而成，每个单元都有自己独立的控制器。在外加电压控制下，可以改造波面的面形，作为波前校正器件校正波前误差。变形镜的研究和发展关系到整个自适应光学系统的校正能力和校正精度。

变形镜按面形可大致分为连续表面和分立表面两种类型。其中，分立表面变形镜的每个分立的平面反射镜由三维调节度（平移+倾斜），通过控制各个致动器可以得到由分立小平面构成的波面。这种变形镜无法得到连续面形，波前校正精度低，但有较大的校正量，适用于大型天文自适应光学系统中做大尺寸、大变形量的波前校正。而连续表面变形镜则可以得到连续的面形，校正精度高，但面形的变形量比较小。

二、波前传感器

波前传感器是自适应光学系统中的另一个关键组件，它负责探测光的波前畸变。常用的波前传感器类型有Hartmann-Shack传感器、剪切干涉仪和曲率传感器等。

以Hartmann-Shack传感器为例，它由透镜阵列和CCD相机组成。通过透镜阵列对波前进行分割采样，每个子孔径范围内的波前倾斜将使单元透镜的聚焦光斑产生横向漂移。测量光斑中心在两个方向上相对于用平行光标定的基准位置的漂移量，可以求出各子孔径范围内的波前在两个方向上的平均斜率。

波前传感器的性能直接影响到自适应光学系统的校正效果。高分辨率、消色差以及对外界振动不敏感的波前传感器能够提供更精确的波前信息，从而提高自适应光学系统的校正精度。

三、自适应光学系统

自适应光学系统由波前探测器、波前控制器和波前校正器（变形镜）组成。波前探测器探测光的波前畸变，波前控制器通过一系列算法解算出波前相位，并通过控制系统反馈给波前校正器改变变形镜的各子模块来补偿畸变波前，提高图像精度。

自适应光学系统广泛应用于天体观测、生物成像以及激光武器等领域。在天体观测中，自适应光学系统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。在生物成像中，自适应光学技术大大增强了人们对视觉细胞的观测程度。而在激光武器领域，自适应光学技术则被用于将几束激光聚焦到足够小的面积上，从而产生破坏性效果。

综上所述，自适应光学及其关键组件变形镜、波前传感器在多个领域发挥着重要作用。随着技术的不断发展，自适应光学系统将在更多领域展现出其独特的优势和广阔的应用前景。

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