摘要  大口徑望遠鏡的高分辨率成像觀測技術(shù)是一項對天文學(xué)研究和空間目標探測都非常重要的技術(shù)，其中最核心的就是自適應(yīng)光學(xué)。文章簡要回顧了天文望遠鏡以及自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程，圍繞未來大口徑望遠鏡發(fā)展需求，詳細介紹了具有高空間分辨率特色的液晶自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷史及其現(xiàn)狀。

    關(guān)鍵詞 大口徑望遠鏡，液晶，自適應(yīng)光學(xué)

    天文學(xué)的歷史，就是人類探測宇宙的歷史。古代天文學(xué)的產(chǎn)生是由于農(nóng)牧業(yè)和實際生產(chǎn)生活的需要。在古代，天文非常重要。中國古代有一句話叫做“觀象授時”，只有把星象的位置和它的運動規(guī)律精確地測定之后，才能把歷法做得很準，老百姓根據(jù)政權(quán)頒布的歷法指導(dǎo)自己的日常生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。按照中國傳統(tǒng)的宇宙觀“天人合一”，一個政權(quán)要上應(yīng)天時，受命于天。因此，歷代政權(quán)都非常重視天文觀測與歷法。自人類誕生以來，從未停止過對星空的探索與想象。但在望遠鏡發(fā)明之前，人們所能觀測到的星空極為有限。

    人類天文觀測的大突破與大變革起始于望遠鏡的發(fā)明和應(yīng)用，距今已有400 余年歷史。望遠鏡的發(fā)明，為人類探索星空的歷史開啟了嶄新的一頁。在這400 年間，探索深空的技術(shù)不斷進步，從最開始的觀測月球到現(xiàn)在能發(fā)現(xiàn)100 多億光年外的星系，進展非常之大。天文觀測與研究的目的也已經(jīng)不只是滿足生產(chǎn)和生活的需要，而是人類對自身及宇宙形成與發(fā)展的探索認知。因此，隨著科學(xué)探索與研究的日益深入，對天文觀測設(shè)備也提出了越來越高的要求。體現(xiàn)在天文望遠鏡這一核心的觀測設(shè)備上最直觀的變化就是——觀測口徑越來越大。為什么望遠鏡口徑需要越做越大？依據(jù)光學(xué)原理，望遠鏡接收到的能量E 正比于其口徑D的平方，因此其口徑是望遠鏡聚光本領(lǐng)的重要指標；而衍射極限角分辨能力則與口徑D成反比。所以，增大望遠鏡的口徑D還可以極大提高系統(tǒng)的分辨能力。因此只有用大口徑的望遠鏡，才能觀測更暗、更弱的目標，獲得高分辨率的成像能力。

    2、望遠鏡的發(fā)展簡介

    世界上最早的天文望遠鏡是著名的意大利科學(xué)家伽利略發(fā)明的。1609 年他制造出了放大倍數(shù)達到32 倍的天文望遠鏡(圖1)，并用來觀測了月球，這是人類歷史上第一次用望遠鏡觀測月球。這臺天文望遠鏡的誕生，標志著人類開始了真正的日月星空之旅。

圖1 伽利略發(fā)明的望遠鏡

    1668 年，英國著名科學(xué)家牛頓在伽利略望遠鏡和開普勒望遠鏡的基礎(chǔ)上，制作出了世界上第一架反射式望遠鏡(圖2)，將折射光線的凸透鏡變成了反射光線的凹面鏡，主鏡尺寸更容易增大。1845 年，英國人羅斯伯爵威廉·帕森斯制造出了口徑72 英寸(1.8 m)的望遠鏡：“列維亞森”(圖3)。這架望遠鏡在建成后長達70 年的時間里都把持著世界第一的稱號。直到1917 年，才有更大的望遠鏡打破這個記錄。

圖2 牛頓發(fā)明的望遠鏡

圖8 液晶折射率的電場調(diào)控特性

    在電場的作用下液晶分子的轉(zhuǎn)動角度可以從0°變化到90°，因此折射率就可以從n_e變化到n_o。通過控制施加到液晶層上的電場強度大小就可以實現(xiàn)對液晶層折射率的動態(tài)調(diào)節(jié)，最大調(diào)節(jié)幅度為液晶材料的雙軸折射率差?n=n_e－n_o。

    正是液晶材料的上述特性，使其具有用于光學(xué)波前校正的潛力。由于它是通過電控分子取向改變液晶介質(zhì)層的折射率n 實現(xiàn)對波前的調(diào)制，因此沒有宏觀的機械運動，波前調(diào)制的精度和穩(wěn)定性都更好。

    液晶波前校正器的優(yōu)點可歸納如下：

    (1)空間分辨率高：由于液晶波前校正器的制備可以利用現(xiàn)有的液晶顯示屏生產(chǎn)工藝，即成熟的大規(guī)模集成電路的制造技術(shù)，很容易制備數(shù)百萬像素的校正器；

    (2)校正量大：由于液晶校正器的像素尺寸小到4—8 μm，使得它可以通過二元光學(xué)的衍射效果來產(chǎn)生數(shù)微米到十幾微米的大校正量；

    (3)加工周期短：利用現(xiàn)有的液晶屏生產(chǎn)工藝，且對變形精度要求不像變形鏡那么高，加工周期約1周，而變形鏡的加工周期則需要用年來計算；

    (4)體積小重量輕：便于系統(tǒng)的小型化、集成化和便攜化，很容易匹配各種口徑的望遠鏡；

    (5)無機械運動：其工作原理是通過電場控制液晶分子的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)波前校正，沒有宏觀的機械運動和彈性形變，因此，沒有像變形鏡等的形變不穩(wěn)定性、復(fù)位精度以及老化問題；

    (6)驅(qū)動電壓低：通常驅(qū)動電壓不會超過10 V，能耗非常小。

    以上優(yōu)勢使得液晶波前校正器具有很好的應(yīng)用前景。自20 世紀70 年代以來，國內(nèi)外的很多科研機構(gòu)都投入到了液晶波前校正器的研究中來。1977 年，I. N. Kompanets 指出可以利用液晶波前校正器對光束進行特定的形貌調(diào)制^[13]。1981年，S. T. Kowel 等人利用平行排列的液晶盒嘗試制作了自適應(yīng)調(diào)節(jié)焦距的平凸型柱面透鏡^[14]。1984 年他們又利用兩個前后正交組合的液晶盒，產(chǎn)生兩個正交排列的柱面透鏡，實現(xiàn)了球形透鏡的聚焦效果^[15]。1986 年，A. A. Vasilev 等人制出具有16 個校正單元的液晶波前校正器，對光學(xué)波前進行了一維校正^[16]。1989 年他們又利用1296 像素的光尋址液晶校正器實現(xiàn)了對光束的自適應(yīng)整形^[17]，如圖9 所示。整形前光斑的強度分布如圖9(b)所示，在給液晶施加圖9(a)所示的光驅(qū)動信號后，光斑的強度分布變成了圖9(c)所示的環(huán)形分布，整形效果很明顯。

    公式中γ為液晶的粘滯系數(shù)，K為液晶彈性常數(shù)，d為液晶層厚度。由此可見，d 的增加會顯著降低液晶校正器的響應(yīng)速度，導(dǎo)致無法應(yīng)對湍流的高速變化。

    將傳統(tǒng)二元光學(xué)領(lǐng)域的phase wrapping 技術(shù)引入到對波前的校正中，充分利用液晶器件高像素密度的優(yōu)勢，可將器件的調(diào)制量要求由2—3 μm減小到只需要達到中心波長處的1 λ即可，如圖12 所示。以實際使用的0.78 μm中心波長器件為例，對于2 μm調(diào)制量需求，采用phase wrapping 技術(shù)可以使盒厚下降為原來的39%，器件的響應(yīng)速度可提升6倍以上。

圖12 phase wrapping 技術(shù)示意圖

    (2)提出了過渡灰度級驅(qū)動技術(shù)和盒厚優(yōu)化設(shè)計方法，解決了液晶響應(yīng)拖尾問題和灰階響應(yīng)一致性問題，實現(xiàn)了波前校正器的高速、高精度、一致化驅(qū)動，使高精度的實時波前校正成為可能。

    首先，液晶材料在電場驅(qū)動下的動態(tài)響應(yīng)存在拖尾現(xiàn)象，因此在傳統(tǒng)的顯示領(lǐng)域均采用透過率變化10%—90%區(qū)間作為響應(yīng)時間，如圖13 所示。然而對于進行波前校正的位相調(diào)制來說，這會人為的引入0.1 λ的位相誤差，導(dǎo)致波前校正的精度下降。

圖13 液晶在電場驅(qū)動下的透過率響應(yīng)曲線

    依托上述技術(shù)進步，液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的能量利用率從5%提高到了85%，系統(tǒng)誤差抑制-3 dB 帶寬從5 Hz 提升到80 Hz?；谏鲜黾夹g(shù)，我們先后研制了多套與1.23 m、2 m、2.16 m口徑望遠鏡匹配的液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，并針對天文目標與人造衛(wèi)星目標開展了觀測實驗。圖17為與1.23 m口徑望遠鏡匹配的液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，圖18 為利用該自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對α Com雙星的觀測校正效果，取得了校正分辨率0.18″的觀測效果，達到了望遠鏡的衍射極限水平。

圖17 液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

圖18 α Com雙星觀測結(jié)果

    十余年的研究，在液晶器件設(shè)計與研制、自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)等方面積累了深厚的研究基礎(chǔ)。形成了從材料設(shè)計與合成、器件設(shè)計與研制到系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用的全鏈條研究 布局，建成了國內(nèi)一流的液晶光學(xué)器件研制技術(shù)平臺，為開展前沿技術(shù)研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。

    5、總結(jié)與展望

    基于液晶波前校正器的自適應(yīng)光學(xué)新技術(shù)對大口徑望遠鏡的高分辨率成像觀測具有重要價值。經(jīng)過近十余年的技術(shù)發(fā)展，我們系統(tǒng)解決了液晶波前校正器件應(yīng)用中面臨的能量利用率問題及速度問題，創(chuàng)新性地提出了基于開環(huán)策略的液晶自適應(yīng)光學(xué)校正模式，成功實現(xiàn)了這項技術(shù)的工程化應(yīng)用。同時，該項技術(shù)還可以進一步拓展應(yīng)用到包括光通信、生物醫(yī)學(xué)成像及激光光束整形等研究領(lǐng)域。此外，在液晶材料與器件方面取得的研究成果，也為液晶器件應(yīng)用于其他光場調(diào)控領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

作者：穆全全^1，2  彭增輝^1，2 宣麗^1，2

(1 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)

(2 中國科學(xué)院大學(xué)材料與光電研究中心)

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中國物理學(xué)會期刊網(wǎng)

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