第一个自适应光学(AO)系统出现在1970年代初,原设计是为获取侦察卫星的高清图像需要通过大气湍流有效地传输激光。虽然AO系统越来越先进,但是工作原理不变,即包含三个部分:波前传感器、变形镜(主导价格)和处理器。
自适应光学技术通过降低波前畸变改善光学系统性能,使用变形反射镜校正入射波前来补偿畸变。天文学领域很快意识到AO的强大能力,1980年代后期出现了天文AO原型;1990年天文望远镜开始使用通用AO系统。过去20年,几乎所有大型光学望远镜都带AO补偿。
补偿大气湍流
大气湍流会随纬度变化,但是主要处于近地层,这也是AO最佳用武之地:近地层自适应光学(GLAO)。欧洲南方天文台于2017年在超大望远镜(VLT)的多单元光谱探测器上安装了新的自适应光学设施,将观察行星星云和星系的空间分辨率提高到了原来的两倍。
该系统中的四激光导星设施向空中发射四束激光,使上层大气中的纳原子发光作为信标模拟星光,探测器使用这些人工导星确定大气条件,以此确定变形镜补偿大气湍流所需的调节量。
增加AO系统相当于把VLT超大望远镜抬高900米,高于最强湍流层。该系统今年将再次改进,减小视场模式为任意纬度的湍流提供校正,从而能够以更小的观测视场得到更高的分辨率。
寻找外星人
对于外星智能探索(SETI)研究所的系外行星研究专家Franck Marchis而言,搜寻外星智能是先进AO技术最激动人心的应用。
Marchis说,由于变形镜控制速度增加而延迟减小,再加上高灵敏电子倍增CCD相机,AO控制环能够以1 kHz运行。高速系统对于相位快速变化的应用非常重要。即插即用的集成化AO系统正在使AO应用成为主流。
由于简单易用的AO系统逐渐商用化,因此应用和新项目也越来越多样化。比如,直接成像半人马座阿尔法星系的类地行星。比如,Project Blue等私人资助项目使用集成星冕仪的AO系统。如果我们在半人马座阿尔法星系的类地行星上发现生命迹象,那将是因为有了自适应光学。
Project Blue目标是对半人马座阿尔法星系宜居带中大小约为地球0.5到1.5倍的类地行星成像。如果某个行星存在大气层,能够在表面形成液态水,那么它可能捕捉到另一个蓝色星球的第一张图片。
Project Blue基于太空可见光,目标在2018年建成一个45到50厘米口径的原型太空望远镜,在2023年发射。望远镜上使用高对比成像星冕仪,集成了可变形反射镜、多星波前控制和后期处理的自适应光学系统。星冕仪抑制恒星亮光,使用AO系统显示暗弱的轨道行星。
生物成像
生物医学领域在1990年代后期开始使用AO技术。眼科自从1997年在高分辨率视网膜成像中使用AO以来不断取得新的成果。
西班牙医疗设备公司Voptica使用液晶AO技术测量患者眼睛,用于视力矫正手术。视觉AO模拟器分析波前畸变,确定光学特性并模拟矫正。据Pablo Artal教授称,眼科AO近年来最大的发展在于液晶空间光调制器和变形镜的价格。更便宜的设备和深度学习算法执行让Voptica这样的公司能够把产品推向市场。
显微镜的AO应用如今也是增长迅速。比如对组织中的散射进行补偿以及超分辨率显微镜AO技术(参考本文第一图)。越来越便宜的变形镜促进了AO应用,在1990年代,平均单个驱动器超过1000美元,如今可能只有原来的十分之一。
大脑成像是AO的一个重要应用。理想的是无损颅骨地完成经颅成像。普渡大学研究人员使用一种多光瞳AO技术拍摄大脑功能细胞的高分辨率延时图像,从而了解大脑的工作方式。在这种方法中,变形镜能够抵消光束通过生物组织和多光瞳棱镜后的畸变。每个光瞳在显微镜视场下各自成像。因为这个方法能够同时观察不同区域,故能以更大分辨率和更大视场观察大脑细胞。
尽管AO系统某些组件降价,但是价格仍然是在天文领域之外推广的最大障碍之一。Thorlabs先进系统技术团队的John Taranto说,为了降低成本,我们需要看到更多的AO应用需求,而且使用单位成本随产量降低的技术;MEMS就是其中之一。
当然不仅是生产成本问题。对组织表面以下成像时会引入光学畸变,而生物组织的高散射使之更为复杂。
另一个挑战是非等晕性,即整个视场内的光学畸变有很大差异。这个问题限制了天文、视网膜成像和显微镜能够有效校正的视场。其解决方案是所谓的多共轭AO,但是这非常复杂昂贵,目前只在多年研发的大型跨国项目才有使用,比如天文领域中。这个方案还不适合实验室或临床AO系统。
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