综述 | 天文观测的利器——自适应光学技术

研究背景

      “仰观宇宙之大，俯察品类之盛”，早在魏晋时期王羲之就在其著作《兰亭集序》中写下如此感慨。抬头仰望，穹顶之上是广袤的宇宙，人类对天体的研究由来已久。天文观测助推了天文学的发展，也加速了人们对光学现象背后物理本质的认识。地基大口径光学望远镜对天文目标的观测受到大气湍流的影响，成像质量严重受限。自适应光学技术（Adaptive Optics, AO）通过实时探测并校正大气湍流引起的波前像差，提升成像分辨力，助力各大望远镜获得高分辨率图像。从AO技术提出至今已经历70多年的历史，随着光、机、电和材料等关键技术的发展和突破，各部分器件也进行了多轮的迭代更新，产生了新理论、新方法、新器件和新应用。这些新的架构、新的方法和新的策略为AO系统的进一步应用提供了更多的可能，也为未来AO技术的发展指明了方向。本篇综述着重介绍了近年来快速发展并得到广泛应用的几项AO关键技术，包括激光导引星AO、变形次镜AO和大视场AO，配备相关技术的大口径光学望远镜已经成为了天文观测的利器。

论文导读

      本文在简要介绍AO技术应用背景和发展历史的基础上，描述了AO系统的工作原理及其波前传感器、波前校正器和激光导引星技术等关键部件的原理与发展现状。此外，本文还介绍了典型的AO系统及其应用，展示了AO技术在夜天文观测和太阳观测上的重要应用成果。在传统AO章节着重介绍了激光导引星AO、变形次镜AO和超级AO（Extreme AO）；在大视场AO章节介绍了地表层自适应光学技术和多层共轭自适应光学技术及其典型应用。未来AO技术的发展将进一步满足大口径/超大口径光学望远镜的观测需要，文中对目前在建和已经首光的大口径望远镜的AO系统做了详细介绍，最后对AO技术在天文观测上的应用前景进行了总结和展望。本文于2024年5月1日以“Astronomical adaptive optics: a review”为题发表在 PhotoniX。

主要研究内容

     AO系统主要包括波前传感、波前控制、波前校正等三个组成部分，波前传感器主要用来对大气湍流等各种扰动进行波前测量；波前控制器主要将波前传感器探测到的波前误差信号经过必要的控制处理转化为波前校正器的控制信号，以实现自适应光学系统的闭环校正；波前校正器主要根据波前控制器输出的控制信号改变波前形状，实现波前误差的共轭校正。本篇综述总结了AO技术在天文观测方面的关键技术和应用，在波前探测方面着重讲述了激光导引星技术，其在大口径望远镜、大视场AO及暗弱目标的探测方面起到不可或缺的作用。在波前校正方面重点介绍了变形次镜技术，变形次镜技术将望远镜的次镜作为变形镜用于波前校正，以实现望远镜与AO系统的深度融合，简化系统光路，显著提升光能利用率及观测图像信噪比，在多台望远镜的自适应光学系统中获得应用并成为未来的发展方向。在系统架构上介绍了传统AO、大视场AO、超级AO技术，可适用于不同的应用场景，其中地表层自适应光学及多层共轭自适应光学在大视场观测中显示出了卓越的性能，大视场高分辨力的观测结果拓宽了人类的视野和认知。AO通过能动器件实时校正畸变波前，是地基天文望远镜不可或缺的关键技术，AO技术的蓬勃发展将为天文观测及天体物理研究提供强有力的支撑。

观点评述

      在过去50年的快速发展中，AO系统在天文观测领域得到了广泛的应用。几乎所有用于高分辨率观测的大口径光学望远镜都配备了AO系统，以校正大气湍流引起的动态波前畸变和望远镜的静态像差。为了满足新的应用要求，AO技术在波前探测、波前校正和波前控制方面不断创新。激光导引星AO、变形次镜AO、极端AO和大视场AO等新技术和系统架构正在迅速发展，极大地提高了望远镜的性能。如今，AO系统的优异性能使其成为正在建设和未来的夜间天文和太阳望远镜不可或缺的组成部分。相信配备先进AO系统的大口径光学望远镜所获得的观测成果，将进一步拓展人类视野，产生颠覆性的科研成果。

主要作者

      饶长辉，博士，博士生导师，自适应光学全国重点实验室主任，中国科学院光电技术研究所研究员，中国科学院大学岗位教授，中国光学学会理事，中国光学工程学会理事，四川省天文学会副理事长，SPIE和OPTICA会员，先后入选国家百千万人才工程、“天府万人计划”天府杰出科学家和国家特支计划人才。作为学术带头人出色完成多项国家高技术计划和国家自然科学基金项目，长期从事大口径高分辨率光学成像技术研究与系统研制工作，在国内率先开展太阳大气高分辨力光学探测技术研究，带领团队在太阳望远镜、夜天文和太阳AO、太阳大气多波段立体成像以及变形次镜AO做出了一系列创新成果并实际应用。获国家技术发明一等奖、二等奖各1项，省部级科技进步一等奖4项、二等奖2项、中国青年科技奖、中国科学院青年科学家等奖励和荣誉。出版专著3部、发表SCI收录论文近200篇，获授权发明专利100多项。

      郭友明，博士，研究员，博士生导师，中科院青促会会员、四川省科技青年联合会理事。主要开展大口径望远镜高分辨成像技术研究，先后发展了基于压电驱动变形次镜的自适应光学技术、自适应光学多波前校正器协同控制技术和智能自适应光学技术，显著提升了高分辨成像自适应光学系统的性能。在Opto-Electronic Advances、Astronomy & Astrophysics、MNRAS、Optics Letters等国际高水平期刊和会议发表学术论文50余篇，其中第一/通讯作者 SCI 论文 16篇，ESI 高被引论文 1 篇；获得授权专利 10 余项；主持国家/省部级项目 8 项。

      张兰强，副研究员，博士生导师，入选中科院青年创新促进会。主要从事太阳高分辨力成像观测相关技术研究与系统研制工作，主要包括大视场自适应光学理论与技术、传统太阳自适应光学、多波段层析成像等。共同提出原创多层共轭自适应光学架构，获取到太阳目标的大视场高分辨力观测数据，取得重大进展。参与研究设计光学误差校正误差最快的太阳自适应光学系统总体方案和实施、试验观测，获得近衍射极限分辨率图像。先后参与或主持完成国家自然科学基金、国家高技术发展计划、科技部重点研发计划、中科院创新基金等科研项目。累计发表学术论文20余篇，获授权专利近20项。

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