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成都光电所自适应光学技术研究创新成果丰硕

发布时间:2021-02-15 10:59 作者:千亿app

  近30年来,国际上现代光学技术的应用已从静态观测发展成为动态条件下进行快速信息获取和能量传递的重要手段。在各种光电系统中,对光束进行动态控制(包括光束的方向控制、波前相位控制、光强调制、滤波等)的要求越来越高。这些动态控制是现代光电技术和工程的重要特征。在这一背景下,从20世纪70年代起,国际上发展了新兴的自适应光学(AO)技术。

  AO技术通过实时探测、控制、校正光学波前误差,使光学系统具有实时克服动态干扰、保持良好性能的能力,因此AO也称为“活光学”。它使400多年来一直困扰传统光学界的星体“模糊”、“抖动”难题有了解决途径,使大型天文望远镜看得更远、分辨更仔细、光能更集中。这一新突破无疑是光学界的一次革命,带动了大量尖端技术的发展,并成为高分辨率观测、高集中度光波大气传输中的关键技术。

  中科院成都光电技术所瞄准世界科学前沿和国家科技发展战略,从1979年开始开拓AO研究方向。多年来特别是国家“863”计划实施以来,光电所始终坚持以重大任务为牵引,自主开拓创新,取得了一系列关键技术突破和重要创新成果。先后建立了多代具有国际先进水平的自适应光学系统,成功应用于激光惯性约束核聚变(ICF)光束控制、星体目标高分辨力观测、光波大气传输校正、人眼视网膜高分辨率成像等重要领域,使我国AO技术研究跃居当今世界先进行列,被国际同行专家称为“世界上规模最大的自适应光学技术研究群体”。

  星体目标高分辨力天文观测AO系统,使我国成为世界上第三个实现星体目标实时校正成像的国家。

  光学望远镜是利用光波获取远距离目标信息的有力工具。自伽利略在1609年发明光学望远镜并用于天文观测以来,已将近400年。由于光学天文望远镜的利用和不断发展,才使人类得以观测到更遥远更暗弱的天体,进而把视野扩展到茫茫太空和深邃的宇宙,为人类最终揭示宇宙起源之谜,开展重大科学研究提供了前所未有的科学手段。为不断深化对宇宙的认识,天文学家总是希冀利用天文望远镜把浩瀚星空中的目标观测得更清楚、分辨得更仔细。因此无止境地追求高分辨力是天文学家和光学工作者共同追求的目标。

  从理论上讲,望远镜口径越大,其分辨力越高。伽利略望远镜口径只有5厘米,其后数百年间,人们建造了越来越大的望远镜,特别是20世纪中叶以来,一些发达国家纷纷斥巨资竞相研制大型光学天文望远镜,迄今最大的口径已达11米。随着望远镜口径的增大,分辨能力本应更高。然而,天文学家无奈地发现,在地面用大型望远镜透过地球稠密的大气层观测星体时,由于“大气湍流”的干扰,光学望远镜的实际分辨力远远达不到理论上所预期的衍射极限(最佳性能和工作状态)。比如,一个口径数米的大型光学望远镜,在地面通过大气层对星体目标进行观察时,由于大气湍流的影响,其实际成像分辨力跟天文爱好者手中口径仅为10—20厘米的小望远镜差不多,观测到的星体像模糊、抖动,形态细节分辨不清,远非星星的“本来面目”。

  当给望远镜加装AO系统后,就可有效克服大气湍流对成像的干扰和影响,星像分辨率和清晰度显著提高。

  AO系统一般由波前传感器、波前控制器和波前校正器三个部分组成(图1)。传感器测量出从远方星体到望远镜光束的波前误差,波前控制器通过控制波前校正器产生所需的校正量,去实时反向校正测出的波前误差,使校正后到达望远镜的星体的光束波前接近理想波面而会聚到望远镜的焦平面,从而使得望远镜能“看到”遥远星星的“本来面目”。因此,AO系统好比给望远镜戴上了一幅“矫正镜”,使之能有效克服外界扰动而始终保持理想的性能和工作状态。

  为适应国家“863”计划信息领域的重大需求,光电所科技人员自主创新,先后取得光子计数级波前探测、波前校正器工艺及制作、高速波前处理及控制等系列关键技术的突破,研制成功用于提高天文望远镜分辨力的AO系统。建立的“21单元星体成像自适应光学系统”于1990年9月在云南天文台首次实现对星体目标的大气湍流校正成像。清楚地分辨出未校正前不能分辨的“双星”,使我国成为继美国和法、德联合研究组之后,世界上第三个实现星体目标实时校正成像的国家,标志我国在该领域的研究跃入世界前列。

  为把AO技术推向更高发展阶段,光电所与原中科院北京天文台和日本国立天文台合作,建立了“2.16米望远镜红外AO系统”,装到东亚最大的北京天文台2.16米望远镜上,用于高分辨力红外天文观测。该项目为国家“863”计划信息领域“八五”期间15个重大项目之一,其研制成功将2.16米望远镜的分辨力提高了近1个量级,使我国天文界拥有了一套目前世界上为数不多的、实用近红外波段的AO观测系统,标志我国AO技术和天文观测技术的一个重要进展。

  “1.2米望远镜可见光高分辨力AO系统”是国家“863”“九五”重点项目。该系统与云南天文台1.2米望远镜对接,成功地实现了对星体目标的自适应光学校正,获得了对恒星目标的可见光高分辨力成像观测。这是目前国内研制的单元数最多、具有微光探测能力的自适应光学系统,标志着我国自适应光学系统的研制水平又上了一个新台阶。

  用激光引发核聚变是当前国际上正着力研究的重大前沿科学问题。高功率的激光会聚到充满核聚变材料(氘或氚)的小球上,激光的能量将球壳表面烧蚀并离子化,剥离时产生的反作用力使内层材料向内压缩,使核聚变材料达到极高的温度和密度从而引发核聚变反应。这就是ICF装置工作的基本原理。

  ICF装置是一项具有重大战略意义的大科学工程。同时,ICF也是未来高效洁净能源的希望所在,科学家希冀在不久的将来,可利用ICF技术,把海水中丰富的同位素元素氘、氚,转化为取之不尽、用之不竭的新能源,以有效缓解和克服越来越紧迫的能源危机。

  然而,ICF装置是一个庞大的激光系统。激光传输中通过的光路数百米,光学元件数百个,总厚度达数米。尽管在光学材料、光学加工和装调方面已采取许多措施来保证精度,但由于光路长、光学表面多,光学面形加工误差和材料不均匀性的积累仍然产生较大的静态波前误差,从而影响激光系统输出光束的质量。同时,ICF激光器在工作过程中产生的热效应也会进一步造成激光波前畸变。这些畸变的叠加使得激光器最终输出光束的波前畸变更加严重,使聚焦光斑弥散,直接导致靶面上能量集中度降低。虽然,提高光学加工精度、改进光学装校工艺是减少静态误差改善光束质量的最直接方法,但这些方法受限于现有光学加工水平,也导致高昂的加工成本。而AO技术不仅可校正这一超大型激光系统中静态误差,而且可校正激光脉冲时的动态误差,有效地改善ICF光束质量,提高焦面的能量集中度,进而提高ICF效能。鉴于此,现有世界各主要在建的ICF激光系统,如代表ICF激光技术最高水平的美国国家点火装置(NIF),以及日本的Gekko都采用了AO技术来改善和控制光束质量。

  1983年,中科院上海光机所建立了我国第一套ICF装置“神光Ⅰ”。光电所科技人员针对该庞大激光系统静态像差校正需求,自主创新,研制了基于高频振动爬山法的“19单元波前校正系统”,1985年成功地用于该装置上,校正后使静态焦斑能量集中度提高3倍(图2),接近衍射极限。这开创了世界上在ICF中使用AO技术改善光束质量的先河,被国际上称为“中国方法”。在AO系统研制成功后7年,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室才报道了他们在国家点火装置(NIF)的预研性系统——子束激光器(Beamlet)中也研制了1套AO系统,日本大阪大学也报道了他们正在为其激光核聚变系统研制AO系统。

  正在建设中的“神光-III”原型装置是我国近期最先进,同时也将是一个实用的ICF装置。光电所瞄准其应用,先后攻克动态波前误差测量、开环控制、分段校正叠加控制技术等关键技术,2001年研制了国内第一套用于“神光-III”原型单路静态和动态误差校正自适应光学系统,将该装置的光束波前畸变从9?姿校正到约1.5?姿。为该装置总体技术目标的实现提供了重要的技术支持,同时为AO技术在ICF中的工程化应用奠定了良好基础。目前,光电所为该“神光-III”原型装置研制的8套工程化自适应光学系统正与大系统进行联调试验。

  随着“十一五”规划中国家“点火装置”的实施,光电所AO技术的发展,将为我国ICF装置的工程化,进而为国家在此领域及其新型高洁净能源领域的战略布局做出越来越重要的贡献。

  活体人眼视网膜AO成像系统,使我国成为世界上第二个利用AO技术实现人眼视网膜高分辨率成像的国家,建立了世界上首台可进入临床试验研究的人眼视网膜AO成像仪。

  眼睛(视觉器官)是人体最重要的感觉器官,是人类感知世界的“窗口”,人从外界环境接受各种信息时,约80%-90%的信息从视觉通道输入。眼底视网膜作为眼球内结构最复杂精细的部分,有多层细胞和毛细血管,其本身病变(如视网膜血管病、黄斑疾病、视网膜脱离等)往往会导致患者视力下降甚至致盲,同时,视网膜的微血管系统作为人体血液循环系统的有机组成部分,某些心脑血管病变(高血压、糖尿病、动脉硬化等)也能在视网膜上发现早期征兆。而且,由于眼底毛细血管众多且非常细,对人体心脑血管出现的任何不良征兆反应更为灵敏。在身体还没出现不适反应,或常规医疗手段还检测不出问题时,眼底视网膜毛细血管就已出现变窄或硬化的现象,这种变化通常要比体内真正疾病的出现早得多。所以,通过对眼底视网膜的精细观察进而寻找更加先进、更加早期的眼底视网膜诊断与治疗方法,对成千上万的眼科患者及相关疾病患者具有重要意义。

  如望远镜一样,人眼本质上也是一个光学系统,存在各种像差。采用AO技术,则可以校正时间和空间上都随机变化的活体人眼像差,从而获得接近衍射极限的高分辨力视网膜图像,这是AO技术的新发展及其在新领域的应用。

  瞄准国际科学前沿和最新发展趋势,充分利用在AO方面业已奠定的技术基础,光电所1997年在国内率先开展了人眼视网膜高分辨力成像AO技术研究,先后突破了微小变形镜原理及制造、人眼像差波前探测与测量等关键技术,于2000年建立了世界上第一套基于整体集成式微小变形镜的19单元人眼视网膜成像AO系统。该系统采用自行研制的小型变形反射镜作为校正元件。成像过程中,用一束半导体激光从瞳孔射入眼内,经人眼会聚后在眼底形成一个光斑,经眼底反射后从瞳孔射出,这束光的波前误差就是人眼的像差。用小型哈特曼传感器测量波前误差,以引导和控制变形反射镜进行相应校正。校正完成后,用闪光灯照明眼底视网膜,经光学系统放大后,就可以利用专用成像相机“看”(拍摄)到细胞级高分辨的眼底视网膜图像。

  该系统获得可分辨直径约3—4?滋m视觉细胞的高分辨力图像(图3)以及视网膜中毛细血管图像,分辨力比现有最先进的同类仪器高一个量级,接近人眼衍射极限,使我国成为世界上继美国之后第二个利用AO技术实现人眼视网膜高分辨力成像的国家。随后又根据临床试验需求,建立了世界上首台可进入临床应用研究的37单元“活体人眼视网膜AO成像仪”(图4),目前正在与国内几家著名医院联合开展医学试验前期研究。一旦通过正式临床应用考核和取得医疗设备“三证”,即可作为正式医疗设备。美国、英国、西班牙等多个研究机构虽然也正在积极进行相关研究,但迄今仍处于实验装置阶段,没有达到实现仪器化的水平。

  该技术为视觉科学和临床眼科学提供了一种前所未有的科学工具和高分辨力医疗检测手段。对视觉科学研究而言,它使视觉科学研究、视觉生理研究有可能在细胞尺度上进行,其意义可类比于200年前显微镜的发明对于细胞生物学和医学的贡献。对眼科临床医疗而言,也是一种崭新的研究和早期诊断技术,可在眼科疾病特别是眼底疾病的发病机理研究、临床疾病的超早期诊断、不同治疗手段和药物疗效评价等方面发挥其独特的作用。在更精细的视细胞尺度上可对视网膜细胞和眼底毛细血管正常或变异形态进行活体观测,帮助医生实现对眼底疾病(黄斑疾病、视网膜血管病等)和全身相关性疾病(高血压、动脉硬化、糖尿病等)的超早期诊断和亚临床诊断,将病变的诊断和治疗提前到“萌芽状态”。

  综观我所AO技术研究的发展历程,其基本经验和思路是:紧扣世界科技发展前沿动向,瞄准国家重大战略需求,锐意开拓、自主创新,积极开展具有战略性、前瞻性的应用基础研究和系统研制,不断增强技术储备,拓展新的应用领域。20多年来,在AO方面获得10余项省部级以上成果奖,其中国家科技进步奖二等奖2项、三等奖2项,中科院科技进步奖特等奖1项、一等奖6项、二等奖2项。

  全国人大常委会副委员长、中科院院长路甬祥2006年6月在视察光电所时所说:“我第一次到成都来就看到做自适应光学应用基础研究的研究小组,当时还很小,后来在自适应光学这一关键的技术领域上实现了突破。首先是应用在望远镜上,然后用在探测设备上,现在又应用在高端的医学仪器上,很好地体现了前瞻性和基础性的创新工作。光电所如果没有这一项自适应光学的基础,就没有今天的优势”。


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