天文自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

彭志欣， 陳 亮

(南京大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，南京 210046)

0 引 言

自適應(yīng)光學(xué)(Adaptive Optics，AO)是現(xiàn)代天文觀測中的一項(xiàng)重要技術(shù)，最早于1953年由美國天文學(xué)家Babcock[1]提出實(shí)時(shí)測量波前誤差并使用可變形光學(xué)元件實(shí)時(shí)補(bǔ)償大氣湍流等動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的大氣畸變。1989年4月，首次實(shí)現(xiàn)了地基天文望遠(yuǎn)鏡獲得AO校正的天文圖像[2]。在天文望遠(yuǎn)鏡成像領(lǐng)域得以實(shí)現(xiàn)后，已在廣泛的工業(yè)和民用領(lǐng)域得以發(fā)展，尤其是顯微鏡、激光系統(tǒng)和視網(wǎng)膜成像等領(lǐng)域取得了許多突破[3]。目前大部分國外著名的天文臺(tái)都把這一重要技術(shù)當(dāng)做是標(biāo)準(zhǔn)配置，例如著名的10.2 m Keck天文望遠(yuǎn)鏡、帕羅瑪天文臺(tái)(Palomar Observatory)5 m天文望遠(yuǎn)鏡[4]。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)使得地面望遠(yuǎn)鏡能夠達(dá)到衍射極限并獲得媲美空間望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率。

我國在自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域的研究起步較早，已在部分天文望遠(yuǎn)鏡上實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣湍流的校正，例如云南天文臺(tái)的1.2 m望遠(yuǎn)鏡、國家天文臺(tái)2.16 m望遠(yuǎn)鏡[5-6]，但相比國外而言，我國還處在一個(gè)明顯落后的地位。隨著國內(nèi)天文大型地面望遠(yuǎn)鏡的提出和建設(shè)，自適應(yīng)光學(xué)作為標(biāo)準(zhǔn)配置一定不會(huì)缺席。目前國內(nèi)高校天文教育中，基本未涉及自適應(yīng)光學(xué)的實(shí)驗(yàn)，這對(duì)于我國培養(yǎng)實(shí)測天文人才，追趕世界先進(jìn)的步伐是極為不利的。為此，利用目前公開渠道獲得的光學(xué)、電子等實(shí)驗(yàn)?zāi)K和器件，開發(fā)設(shè)計(jì)了用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，完整還原了自適應(yīng)光學(xué)的校正原理，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)測試靶圖像的優(yōu)化，并應(yīng)用于天文本科實(shí)測天體物理實(shí)驗(yàn)課程。

1 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

自適應(yīng)光學(xué)是一項(xiàng)實(shí)時(shí)校正由大氣湍流或其他因素造成的光學(xué)波前畸變，從而改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)性能的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于天文觀測時(shí)，可以找到自然導(dǎo)星(Natural Guide Star)作為對(duì)目標(biāo)星體的參考源，當(dāng)目標(biāo)星體和自然導(dǎo)星的光子經(jīng)過大氣擾動(dòng)后，可以認(rèn)為原來平面的波前受到大氣湍流擾動(dòng)后，變成了扭曲的波前。扭曲的波前經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)，到達(dá)可變形鏡(Deformable Mirror, DM)，經(jīng)過反射后到達(dá)分束器(Beam splitter，BS)，由分束器把目標(biāo)星體和自然導(dǎo)星的光路分開。自然導(dǎo)星的光路會(huì)到達(dá)波前傳感器(Wavefront Sensor, WS)，觀測后計(jì)算出扭曲的波前，由計(jì)算機(jī)反饋給可變形鏡，通過改變可變形鏡的反射表面對(duì)扭曲的波前進(jìn)行校正，這樣目標(biāo)星體的波前也相應(yīng)的得到了校正，從而可以用科學(xué)相機(jī)獲得校正后的圖像[7-8]。但自然導(dǎo)星系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、導(dǎo)星的亮度等條件要求非常高，使得只有很小的天區(qū)能通過自然導(dǎo)星進(jìn)行觀測，因此天文上可以使用激光導(dǎo)星系統(tǒng)(Laser Guide Star)代替自然導(dǎo)星系統(tǒng)來進(jìn)行自適應(yīng)觀測[3,8-9]。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建立

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬了一個(gè)完整的激光導(dǎo)星自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，圖1所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光路示意圖。該系統(tǒng)由激光模擬激光導(dǎo)星，測試圖樣模擬目標(biāo)星體，利用波前傳感器檢測出樣品區(qū)擾動(dòng)帶來的波前畸變，通過改變可變形鏡，對(duì)測試圖樣的波前進(jìn)行校正，并得到校正后的測試圖樣，最后利用天文CCD相機(jī)與其前端的透鏡組成了類似天文望遠(yuǎn)鏡的成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)天文觀測的模擬。激光由功率0.3 mW激光二極管提供，波長635 nm；光源則提供波長530 nm的準(zhǔn)直光；可變形鏡(DM)為零遲滯微機(jī)械(MEMS)技術(shù)12×12驅(qū)動(dòng)器陣列，最大位移3.5 μm；波前傳感器使用了Shack-Hartmann波前傳感器，工作波長范圍300～1 100 nm，工作幀率880 Hz。圖1中另外還有分束器(BS)或二向色鏡把不同波長的光束反射或透射；L為光路中準(zhǔn)直的透鏡；M為反射鏡。最終的實(shí)物圖參見圖2。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光路示意圖

圖2 自適應(yīng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的樣品區(qū)，放入干擾樣品，測試整個(gè)系統(tǒng)是否能對(duì)干擾的波前進(jìn)行校正。傾斜放入屈光度為-50°的鏡片，產(chǎn)生光路的波前畸變，靜態(tài)模擬擾動(dòng)帶來波前影響。打開自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制軟件，并開啟實(shí)時(shí)校正后，可以看到測試圖樣的成像像質(zhì)得到了改善。在加入干擾樣品后，相對(duì)于未打開系統(tǒng)的校正，開啟校正后的成像效果和分辨力都得到了改善。實(shí)驗(yàn)過程的畸變波前和校正后的波前對(duì)比圖如圖3所示。校正前的畸變光斑峰谷(PV)值為1.632 μm，均方根(RMS)值為0.393 μm，見圖3(e)；開啟自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)閉環(huán)校正后，光斑PV值為1.551 μm，RMS為0.349 μm，見圖3(f)，均有下降，校正后說明波前畸變得到改善。

(a) 無干擾樣品(b) 加入干擾樣品,未打開校正(c) 校正后(d) 無干擾樣品時(shí)對(duì)應(yīng)的波前(e) 加入干擾樣品,未打開校正時(shí)的畸變波前(f) 校正后的波前

測試整個(gè)系統(tǒng)對(duì)模擬大氣擾動(dòng)的實(shí)時(shí)校正。真實(shí)的地球大氣，由于溫度的微小起伏(小于1 ℃)會(huì)引起風(fēng)速的隨機(jī)變化，從而產(chǎn)生大氣中的湍流運(yùn)動(dòng)；溫度的這些變化還造成了大氣密度的微小變化，引起了折射率的微小變化。這些都會(huì)導(dǎo)致來自大氣層以外的恒星星像，發(fā)生閃爍、顫動(dòng)和星像的擴(kuò)散[8]。而在實(shí)驗(yàn)室中，需要模擬真實(shí)的大氣湍流，控制光束波前相位的變化。常見的有采用熱空氣對(duì)流模擬湍流[10-11]，利用變形鏡和空間光調(diào)制器模擬湍流的畸變[12]，還有旋轉(zhuǎn)相位屏模擬大氣湍流的時(shí)空特性[13-14]。其中旋轉(zhuǎn)相位屏符合真實(shí)大氣湍流的一些統(tǒng)計(jì)物理參數(shù)，實(shí)驗(yàn)條件可重復(fù)，效果較好，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了旋轉(zhuǎn)相位屏來模擬真實(shí)的大氣擾動(dòng)。

采用100 mm直徑的相位屏，相干長度r0=0.5 mm。樣品區(qū)加載靜態(tài)旋轉(zhuǎn)相位屏，對(duì)平直波前進(jìn)行扭曲。打開自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制軟件，開啟實(shí)時(shí)校正后，測試圖樣的成像也能得到改善。進(jìn)一步加載旋轉(zhuǎn)相位屏的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)，模擬風(fēng)速影響下的大氣擾動(dòng)。最終對(duì)模擬的大氣擾動(dòng)校正，成像改善不明顯，并未達(dá)到校正的目的，調(diào)節(jié)相位屏旋轉(zhuǎn)速度也不能改善。通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于采用的旋轉(zhuǎn)相位屏光程差范圍5～30 μm，模擬的大氣擾動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)過程中可能超過了本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可變形鏡驅(qū)動(dòng)器的最大位移3.5 μm，使得可變形鏡在校正時(shí)不能收斂，因此校正效果不佳。

4 結(jié) 語

在天文實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中，通過設(shè)計(jì)搭建自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)，將現(xiàn)代天文觀測及科學(xué)研究中用到的前沿技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)天文實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行大膽改革探索與創(chuàng)新，幫助學(xué)生了解天文自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的原理、架構(gòu)與功能，進(jìn)一步拓寬科學(xué)研究視野;學(xué)生亦可通過控制軟件相關(guān)參數(shù)改變來掌握更多與天文觀測研究相關(guān)的理論知識(shí)，提高現(xiàn)代科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。