《科学中国人》2008年05期

李春丽

自适应光学
——神奇的智能探测工具

    中国人认为：上下四方曰宇，古往今来曰宙。宇宙即所有的时间和空间的总称。以太空探索为主导的科技革命浪潮，已经给人类社会带来前所未有的巨大变迁，而为了揭示宇宙的形成与演化，探索生命的起源以及空间环境对人类生存环境的影响，人类为探索宇宙奋斗了数千年。
    1999年11月26日，在夏威夷的火山附近，斯科特•阿克顿（Scott Acton）目睹了一次火山爆发。你也许会想，这有什么了不起的。但是，如果这次火山爆发发生在另一个星球上，距地球6亿2千万公里。这次火山爆发光芒的大小就像是两公里外看这句话末尾的句号那样小，那么看到它又看清它就是一个令人惊叹的奇迹。
    这就是自适应光学带来的解密宇宙之谜的能力，近年来，世界上许多大天文台里，自适应光学正主导着地基天文学的革命。
    在那里，新技术战胜了由来已久的问题——大气湍流会使望远镜成的像变得模糊。通过使用复杂的波前探测器、高速计算机以及在1秒钟内能数百次改变自己外形的“弹性镜面”，天文学家可以消除大气抖动引起星光的闪烁和像面模糊。
    自适应光学这一构想可以追溯到20世纪50年代，当时海尔天文台的胡瑞斯•拜勃库克（Horace Bab cock）第一次提出了自适应光学的概念和工作原理。
    由于大气的湍流运动，大气温度的随机变化产生大气密度的随机变化，从而导致大气折射率的随机变化，这些变化的累积效应导致大气折射率的明显不均匀性，大气折射率微小变化的作用类似于处在大气中的小“透镜”，它们使传输光束出现聚焦、偏折等现象，从而导致光闪烁和光像抖动等效应。这些“透镜”的大小近似于湍流漩涡的尺度。
    大气湍流对光传播的影响，最早反映在天文观测中。湍流的影响严重地限制了大口径天文望远镜分辨率的提高。同时也限制了激光雷达、激光大气传输等领域的发展。
    为了克服大气扰动对望远镜成像分辨率的影响，自适应光学开始进入实用性研究，发展成为一种崭新的光学理论、方法和技术。它利用被测目标附近的信标光，通过实时测量由大气湍流产生的随机光学波前扰动引起的光学波前像差，再由高速处理和控制器，驱动能够快速产生波前形变的波前校正器，实现了对光学波前误差的实时补偿校正。
    自适应光学系统能实时感知由大气扰动、环境温度起伏、光轴抖动等因素造成的波面畸变，并通过调整光学系统而实现实时畸变的补偿，因此在天文观测、信息获取、激光照射等领域有着广泛的应用。现代地基、天基大型望远镜几乎无例外地采用自适应光学（AO）系统，它使望远镜的轴上分辨率达到近衍射极限的水平。近年来，随着自适应光学理论与技术的发展，已被广泛地应用于国家的军事及民用领域，如用于光学遥感载荷多种误差源的实时校正以提高载荷的成像分辨率；用于激光通信的大气扰动补偿；用于激光可控热核聚变实验，提高靶标上的光功率密度；用于医用光学仪，实现人眼视网膜的高分辨率成像等。自适应光学这一新兴学科正在以越来越快的步伐，走进科学，走进生活。

紧追前沿
　　——迎接自适应光学时代的到来

    我国的自适应光学技术研究起步于20世纪70年代末。1977年国外刚刚公布第一批自适应光学文献，国内就敏锐地认识到这项技术的重大意义，中科院成都光电所、华体会体育自适应光学与空间光学学科组等单位率先开展了自适应光学领域的研究。中国科学院成都光电所于1980年建立了全国第一个自适应光学研究室，开展了自适应光学望远镜原理和技术研究，取得了多项突出成果。自上世纪八十年代以来，华体会体育自适应光学与空间光学学科组，一直致力于研究自适应光学的理论、方法和前沿技术，承担多项国家863项目，国家自然科学基金，国防预研及国家重大安全基础研究项目。
    华体会体育自适应光学与空间光学学科组这个基石厚重、文化底蕴丰厚的科研团队瞄准21世纪社会发展和科技需求，长远规划、遴选和整合科研方向。着力于科研带头人的培养、科研团队的建设和基础实验设施建设。紧乘现代化建设浪潮之大势，在新世纪里，以其独特的科研特色取得了骄人业绩。记者慕名前往，拜访了以俞信教授为首的学科组，领略了他们火一样的情怀和独特的科研、教学理念。

    高屋建瓴，突出特色
    放眼新世纪，在“科教兴国”战略的推动下，科研已形成百舸争流、千帆竞发的大好局面，开放的政策、灵活的体制和有利的氛围，为各科研队伍提供了更为广阔、更具有个性化的发展空间。在国家知识创新体系中，大学承担着知识传播和知识创新的作用，教学和科研好似马车的双轮，飞机的两翼，相互依存，缺一不可。一流的大学，一定是教学有大师，科研有旗帜。
    华体会体育自适应光学与空间光学学科组作为我国最早开展自适应光学研究的单位之一，自上世纪八十年代以来，一直研究自适应光学领域的理论、方法和前沿技术，在弱光波前传感方法、宽视场和部分校正理论、微小型自适应光学系统研究、自适应光学在空间光学中的应用等方面取得了突出成果。先后完成了我国最早的自适应光学专著两本，《自适应光学理论》（华体会体育出版社，1996.1）和《自适应光学》（国防工业出版社，1996.4），王大珩院士和姜文汉院士分别为书作序。发表论文500余篇，其中约80%以上被国际著名检索机构收录。已获得国防发明专利三项，获得部级科技进步二等奖三项，三等奖一项。
    在教书育人方面，学科组培养了我国第一个自适应光学领域的博士和博士后。在自适应光学领域培养博士10余名，硕士20余名，博士后3名，及相关领域的博士、硕士多名。这些高层次人才多数已成长为各条战线的带头人和骨干。
    华体会体育自适应光学与空间光学学科组自成立以来，在学科方向的遴选方面始终坚持追踪前沿，力求创新、突出特色的宗旨。在上世纪80年代末学科组参研了863-308项目“弱光动态哈特曼－夏克波前传感器实验系统”的研究，该研究以突破自适应光学的关键技术为目标，达到波前探测精度λ/15(每子孔径100光电子的极弱光条件下)，波前探测速度875次/秒，达到同期国际先进水平，该成果1995获部级科技进步二等奖；
    学科组完成了“微重力两相流空间实验装置”的光学机械部分研究，该装置是由中科院力学所胡文瑞院士主持的我国空间流体物理实验重大项目的关键设备，于1999年5月12日搭载我国第一颗科学实验卫星“实践五号”升空。历时8天的实验，完成了31个工况下的热毛细对流与浮力对流实验，获得了12000余幅两层流的运动图象和近30个小时的工程参数科学实验数据，圆满完成了预定空间实验任务，具有重要的科学和应用价值。
    自上世纪90年代后期，学科组敏锐地意识到，自适应光学作为自主测控智能型的新型光学系统在航空、航天光学领域有重大的应用前景。学科组在95-98期间，与航天部门合作，完成了我国第一个自适应光学空间应用的博士论文研究，建立了自适应光学应用于空间光学遥感的理论与方法基础。
    为了自适应光学能够应用于航空、航天领域。必须克服通常自适应光学系统体积大、重量重、成本高等障碍。学科组在863计划支持下，于2000年研制完成我国第一台性能优良的微小型自适应光学系统，该系统采用折叠式光路和新型的微小型器件，大大降低了体积、重量和成本，实现了微小型化。应用该系统成功地完成了对动态波前扰动和热变形波前的校正。该项研究成果特别适合于空间及航空光学系统应用，可用于天文、遥感、预警、通信，在激光加工、测试计量、医用光学等方面也有广泛的应用前景，被认定为国家863计划信息领域重要科技成果，参加了863计划全国十五周年成果展，并于2003年获得国防科学技术二等奖。
   进入新世纪，学科组的科学研究汇聚到自适应光学空间遥感应用特色方向，先后完成了“机内信标及径向斜率波前传感方法”、“扩展信标及相关哈特曼-夏克波前传感方法”、“空间光学遥感系统波前误差在轨测控”、“多子孔径主镜共相位误差在轨测控”等关键技术研究。学科组正不畏艰难，一步一个脚印地为发展我国科技事业做出贡献。

    凝聚精英，依托团队
    自上世纪八十年代末学科组组建起，时任华体会体育光学系副主任、主任的俞信教授开始担当学科负责人的责任，经过二十多年学科的发展，已形成了以多名教授、博士生导师为核心的多学科交叉的科研团队。

俞信：
     1963年毕业于华体会体育 (原北京工业学院)红外专业。1990年晋升为教授，1993年被评为博士生导师。1984年2月至1986年 2月为国家公派访问学者在美国纽约州立大学石溪分校进修，从事近代光学测试技术研究。1987年至1993年任华体会体育工程光学系副主任、主任，1993年至2003年任华体会体育副校长，现任华体会体育国家一级学科电子科学与技术首席教授、华体会体育学术委员会副主任，主要社会学术兼职有中国兵工学会光学学会主任委员，“光学学报”常务编委，华南师范大学兼职教授。北京市优秀教师，政府特殊津贴获得者。
    长期从事光学、物理电子学、光电工程等学科领域的教学与科研工作，作为课题组长在自适应光学和生物光子学方向完成多项国家863科技计划和国家自然科学基金研究计划，获部级科技进步奖二等奖二项，三等奖一项，获国家教学成果特等奖一项、部级教学成果一等奖四项，在国内外发表学术论文近百篇，其中半数以上为SCI、EI、ISTP检索。著有“近代莫尔测量技术”教材一本，参编出版“自适应光学”专著一本。

赵达尊：
     1962年毕业于北京大学物理系，至华体会体育光电工程系任教至今。从事物理光学、高等光学类课程教学，应用物理类科研。1990年经国务院学位办审批获博士生导师资格。现任信息学院光电工程系教授，颜色科学与工程国家重点学科专业实验室主任，中国照明学会图像技术专委会主任。
1981至1983赴美国亚拉巴马大学任访问学者，从事光学信息处理和全息光学研究；1993至1994任美国宾州大学访问教授，从事光纤传感和光折变晶体理论与应用研究。
    发表著作《波动光学》《空间光调制器》《自适应光学》等，其中《波动光学》获全国普通高等学校优秀教材类。主持或参加光学传递函数、光电信息处理、自适应光学、颜色科学与工程等领域科研，发表论文约200篇，获全国科学大会奖和多项部级科技进步奖。政府特殊津贴获得者。

曹根瑞：
    1963年毕业于华体会体育（原北京工业学院）光学工程系光学设计与检测专业，并留校工作。1985年5月至1987年6月于美国亚利桑那大学光学中心进修近代光学测试和大型光学非球面加工与检测技术。历任光学测量实验室主任、光电技术教研室主任、中国光学学会光电技术专业会付主任委员等职。现任华体会体育光电工程系教授。
    曾讲授“应用光学”、“光学测量”、“光学测量与象质鉴定”和“自适应光学”等课程，编著出版“光学测量与象质鉴定”和“自适应光学”等教材和专著，在国内外著名学术刊物及国际上会议上发表论文40余篇。近年主要从事自适应光学、光学和光电检测技术，近代干涉技术等研究。获多项部级科技进步奖，政府特殊津贴获得者。

阎吉祥：
    1970年毕业于北京大学物理系（本科），1981年毕业于华体会体育（研究生），留校工作至今。1987－1988在加拿大约克大学作访问学者。1998年晋升教授，2000年聘为博导。先后主讲研究生和本科生课程各4门，主编或参编著作14部，执笔约2000千字。曾承担或参加国家自然科学基金项目，国家高技术（863）项目，国家重大基础研究（973）项目多项，发表论文70余篇，获部级2等奖3项。

    这是一个人才济济，专家云集的团队。学科组多年来一直在国家的科研主线上开展工作，力求追踪国际前沿。其核心成员为物理电子学、光学工程、测试计量技术、精密仪器、控制等多个学科的学术带头人，他们在长期的研究工作中，既发挥各个学科的特色和优势，更注重发展多学科的交叉和融合，团结和谐、共同发展。
    学科组坚持创新，注重学术交流，从理论、技术、方法和应用各个层面跟踪国际前沿，并注重自主创新。在弱光波前探测、多层共轭自适应光学、微小型自适应光学、新型波前传感方法、多孔径自适应光学系统、新型信标与波前传感方法、共相位检测方法等多方面取得了创新性的成果。
学科组重视国际交流。先后邀请了俄罗斯、意大利、荷兰、美国等自适应光学领域的研究工作者前来交流与讲学，同时积极参加国际相关学术会议，紧跟国际自适应光学研究趋势。
     学科组结合承担的国家重大科研任务，注重培养成员的责任感和创新意识。学科组将“人才兴教”战略定为发展第一战略，坚持以环境凝聚人、以事业造就人、以制度保护人、以机制激励人、以感情留住人的用人原则，积极营造人力资源“蓄水池”。近年来，学科组正持续地积极从海内外引进高素质人才，不断构筑人才高地。在这样的环境中，学科组的每个成员勤勉敬业，充满激情地耕耘着自适应光学事业。
    说起学科建设和发展，俞信教授说：“我们有两点体会。一是要遴选好学科方向，我们想国家所想，急国家所急，按国家科技发展规划的要求，在自己的学科范围内遴选了自适应光学与自适应光学空间应用这个主攻方向作为矢志奋斗的目标。这个凝练了的方向符合国家需要，由此得以承担了多项863、973、国家自然科学基金、重点预研、国家重大基础研究等国家科研任务并获得国家对重点高校211工程、985工程的支持。我们个人和学科组集体的微薄努力得以融入国家科技发展大业 ，而与此同时，个人和学科组也得到了长足进步。
    二是要重视学科团队文化氛围的建设。一个集体的文化氛围是一个集体的灵魂。我们体会到学科建设在做好提炼方向、汇聚队伍、建设基地三件大事的同时，还要高度重视文化氛围的建设。我们学科组是一个多学科的组织，主要成员由不同学科组的学术带头人和学术骨干组成，搞好文化氛围建设尤为重要。通过取得共识和共同努力，学科组内部已初步形成报效国家、追求卓越、通力合作、和谐团结的氛围。这是宝贵的精神财富、也是学科组生存和发展的基石。”
    坐在记者面前的他，用睿智的思维、稳健的谈吐，讲述着这支团队的昨天、今天。我们祝福、我们相信明天华体会体育自适应光学与空间光学学科组定将为我国的自适应光学事业持续地做出新的重要贡献。