自適應光學

自適應光學（英語：Adaptive optics, AO），又稱自適應光學，是一項改進光學系統性能的技術，使用可變形的鏡面，矯正大氣抖動引起的光波前畸變，以改善成像的品質。自適應光學的概念和原理最早是在1953年由海爾天文台的胡瑞斯·拜勃庫克（Horace Babcock）提出的，但是超越了當時的技術水平所能達到的極限，只有美國軍方在星球大戰計劃中秘密研發這項技術。冷戰結束後，1991年5月，美國軍方將自適應光學的研究資料解密，計算機和光學技術也足夠發達，自適應光學技術才得以廣泛應用。配備自適應光學系統的望遠鏡能夠克服大氣抖動對成像帶來的影響，將空間分辨率顯著提高大約一個數量級，達到或接近其理論上的衍射極限。第一台安裝自適應光學系統的大型天文望遠鏡是歐洲南方天文台在智利建造的3.6米口徑的新技術望遠鏡。目前越來越多的大型地面光學/紅外望遠鏡都安裝了這一系統，比如位於夏威夷莫納克亞山的8米口徑雙子望遠鏡、3.6米口徑的加拿大-法國-夏威夷望遠鏡、10米口徑的凱克望遠鏡、8米口徑的日本昴星團望遠鏡等等。自適應光學已經逐步成為各大天文台所廣泛使用的技術，並為下一代更大口徑的望遠鏡的建造開闢了道路。

調適光學的說明：空氣會因溫度、流動或密度不同而有不同的折射率，使穿越大氣層的光線（灰色）扭曲；而一般鏡面（紅色）無法修正，反射出的也是變形的影像（藍色）。

有調適光學技術的鏡面可以改變細部的反射，將變形修正回來。因為入射光的變形是不斷改變的，因此適應光學的可調鏡面也要不斷動作。

自適應光學的原理

自適應光學的目的是修復大氣湍流等因素對光波波前的扭曲。自適應光學首先要檢測波前扭曲情況，然後通過安裝在望遠鏡焦面後方的一塊小型的可變形鏡面對波前實時進行矯正。可變形鏡面後安裝有促動器。自適應光學與主動光學不同，後者通過改變主鏡的形狀調整因重力形變等因素造成的像質扭曲，前者用於補償大氣湍流帶來的影響。目前安裝在口徑8米左右的地面大型光學天文望遠鏡上的可變形鏡面尺寸為8到20厘米，促動器數量為數百個到數千個不等，每次調整要在0.5到1毫秒的時間內完成，否則大氣抖動將造成波前扭曲情況發生改變。

自適應光學需要以很高的頻率調整鏡面形狀，因而可變形鏡面尺寸一般比較小，對材料的要求很高。曾發生過變形鏡無法承受高頻調整而碎裂的事故。此外，還要求促動器的數量足夠多，由此還會帶來成本提高、運算量過大等一系列問題。目前，天文望遠鏡上的自適應光學更多用於紅外觀測，而非可見光觀測。可見光波段的自適應光學已經廣泛用於偵察衛星的小口徑望遠鏡上。

導星

探測波前扭曲的傳感器一般採用夏克-哈特曼波前傳感器，由於讀出速度達到每秒數百次到上千次，因此需要藉助觀測目標附近一顆足夠亮的導星（通常要求亮於15等）來探測實際的波前扭曲。當觀測對象足夠亮時，本身可以作為一顆導星，比如太陽望遠鏡上的自適應光學系統。但是夜間使用的望遠鏡並非總能在觀測目標附近的天區找到足夠亮的導星，如果導星距離目標星太遠，兩個方向上波前扭曲並不相同，會令像質嚴重變差。解決辦法是使用激光人工製造出一顆導星，稱為激光導星。原因是地球大氣層中高度為90千米左右中間層，有一層稀薄的鈉原子。這些原子受到激發，能夠發射波長為589納米的鈉黃光，可以用作導星。這樣就能在離目標星很近的地方用激光製造一顆導星。但這需要大功率、高性能的激光器，耗費大量的電力。

由於人工導星的路徑和目標星的光線路徑並不重合，大氣湍動造成的相位扭曲並不完全相同。解決辦法是製造多顆人工導星，這稱為激光層析自適應光學。計劃安裝在雙子望遠鏡上的多重共軛自適應光學系統將製造5顆人工引導星。同時為了得到矯正較大的視場，可以應用多塊變形鏡，共軛在不同的高度。這被稱為多共軛自適應光學系統，如三十米望遠鏡項目採用了兩個變形鏡，分別共軛在地面和11公里高空，以及6束激光導星。

激光導星的廣泛使用也帶來了一系列的問題，如對過路的飛機、衛星帶來隱患，大功率激光器的長時間運轉開支過大，相互之間距離太近彼此干擾等等。為此，人們在夏威夷的莫納克亞山上開發了激光管制系統。當有飛機或者衛星經過時，激光器就暫時關閉。

其他用途

• 波音公司的YAL-1機載雷射系統，是使用自適應光學技術的空中雷射武器載具。
• 自適應光學也可以應用在人眼視網膜成像上。

參見

• 主動光學

外部連結

• 星戰計畫中的一環：調適光學. 傅學海.