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  • 什么是自适应光学?何为自适应光学?

    作者:佚名 来源:光行天下整理 时间:2017-04-17 10:15 阅读:2034 [投稿]
    自适应光学(adaptive optics), 指一种用于大反射望远镜的镜面的一种补偿系统,可以通过快速反应的的支撑系统使镜面发生形变来补偿大气抖动引起的星象闪烁。

    自适应光学(adaptive optics), 指一种用于大反射望远镜的镜面的一种补偿系统,可以通过快速反应的的支撑系统使镜面发生形变来补偿大气抖动引起的星象闪烁。自适应光学是补偿由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的最有前景的技术。

    中国科学院光电技术研究所饶长辉研究团队成功研制国内首套地表层自适应光学(Ground Layer Adaptive Optics, GLAO)试验系统,与云南天文台1米新真空太阳望远镜对接后,于2016年1月首次获得了太阳黑子和太阳米粒的大视场高分辨力自适应光学校正图像,标志着我国太阳自适应光学技术再次取得重大突破。

    自从天文望远镜诞生400年以来,它从小型手控的光学器材发展到由计算机控制的庞大复杂仪器。其间,有两个参数极其重要:望远镜的口径(聚光能力)和角分辨率(图像的清晰度)。对于一架在太空中使用的性能绝佳的望远镜来说,分辨率直接与口径的倒数成正比。从遥远星球发出的平面波波前将被望远镜转换成完美的球面波波阵面从而成像。像的角分辨率只受到衍射的限制--我们可以称之为衍射极限。


    自适应光学系统原理

    实际上大气的影响和望远镜的质量问题都会扭曲球面波前,造成成像过程中的相位错误。即使是在最好的观测地点,地面上可见光波段望远镜的角分辨率都无法超过10到20厘米口径的望远镜,这仅仅是因为大气湍流的缘故。对于一台口径四米的望远镜来说,大气湍流使其空间分辨率降低了一个数量级(与衍射极限相比),同时星像中心的清晰度降低了100多倍。这源于大气扰动造成的波前在时间和空间的不稳定--也是人类发送哈勃到太空进行观测的的最主要原因--避免大气湍流的影响。此外,像质的好坏也受到工业技术问题以及由机械、温度和望远镜光学效应而引起的波前扭曲的影响。

    自适应光学的使用

    最显然的应用是直接利用滤镜成像。所有的自适应光学系统都提供这一基础模式,但经常配备附加的扫描滤镜(圆形可变滤波器),这样做是为了取得丰富的数据(二维的平面空间和一维的光谱)。考虑到大气湍流是随着时间不断改变的,在短时间内获得丰富的观测资料及数据听起来就显得异常诱人。这可以利用全视场摄谱仪(IFS)做到。加拿大-法国-夏威夷望远镜 (CFHT)的CMOS系统在可见波段的观测和西班牙卡拉阿托天文台的3D在红外波段的观测是这一方面的先驱。类似的设备同样安装于8米望远镜,尤其是安装于双子星望远镜(Gemini)的GMOS系统在可见波段的应用以及安装于甚大望远镜(VLT)的SINFONI -SPIFFI系统在红外波段的应用。

    自适应光学系统有很大的技术挑战。其中包括快速低噪声的传感器(为了能使用比较昏暗的引导星来进行矫正);高能、可信且易于操作的钠激光器;超高速处理器,要求每秒的运作此时达109到1010次;可变形镜面,带宽几千赫兹和上千个触动器;大型的二级自适应透镜。后者在热波段尤其有趣,任何一小块附加的镜面都加大由设备造成的原本已经很大的热背景。

    基于自然引导星的自适应光学系统正帮助现代的8到10米望远镜不断取得接近衍射极限的成像质量以及分光数据。可见光波段的改正已相当理想,但是至今仍然无法到达衍射极限。人造引导星自适应光学系统被应用于不少天文台,而且这个数字正不断的增加。但是人造引导星在极高天空覆盖率下的稳定应用仍然没有实现。MCAO技术仍在襁褓阶段。

    许多最近的天文观测成果都基于新的光学观测技术。尤其是当甚大望远镜(VLT)投入使用后(干涉观测法带来了更清晰的像质),自适应光学系统显得更加重要。强大的集光能力和极小的分辨率(空间上的和光谱上的)将为未来地面天文观测带来最主要的进步。更深入地,计划和讨论中的巨型光学望远镜(比如OWL)将依赖先进的自适应光学技术来实现全部的天文观测---在这些项目的建设初期望远镜就和自适应光学系统融为一体。

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