夏天在柏油路上看远处的车,车顶上方总在抖,像隔着一层流动的水。那是地面把空气烤热,不同温度的空气折射率不同,光穿过时被掰弯。望远镜每晚都在跟这层「热水」打架,自适应光学(adaptive optics)就是它的应对办法:先量出浪有多高,再推出一面形状相反的镜子。
自适应光学用波前传感器测出畸变、用变形镜反向补偿,闭环频率约 1000 Hz,镜面起伏量级在几百纳米(约 10⁻⁷ m)。它能把近红外波段的斯特列尔比从百分之几提到几十个百分点,但只在一小块视场内有效,视场通常只有角分量级。
大气把平面波揉成皱面,误差以波长计
恒星的光到达大气顶时波前是平的。穿过几公里厚的湍流层后,不同路径的光程差出几百纳米到几微米,平面变成一张皱纸。
描述这层湍流的常用参数是相干长度 r₀,在 500 nm 处好台址约 10 到 20 cm。它相当于「大气自己给的镜面直径」:口径超过 r₀ 的部分只在收集光,不再提高分辨率。
先用微透镜阵列把波前切成小块
最常见的传感器是沙克-哈特曼型。一片微透镜阵列把入瞳切成几十乘几十个小格,每格在探测器上成一个光斑;波前局部倾斜,光斑就偏离中心,偏移量正比于该处的斜率。
测出斜率场,再用泽尼克多项式拟合或直接积分,就能重建整个波前。这一步必须赶在湍流变化之前完成,采样率因此要做到毫秒级。
变形镜要在毫秒内推出纳米级起伏
变形镜是一片薄反射镜,背面贴着几百到上千个促动器,靠压电或静电力把镜面顶出局部凸凹。行程通常只有微米量级,定位精度却要到纳米。
真正的难点是延迟。从测量、计算到施加校正,整个闭环要在几毫秒内跑完,否则大气已经换了一副面孔。控制带宽往往就是系统性能的瓶颈。
没有亮星,就当场造一颗
波前传感器需要足够亮的光源,而天区里恰好有亮星的概率很低。于是有了激光导星:向约 90 km 高的钠层打一束 589 nm 激光,激发出一颗人造光点。
人造星也有局限。它离望远镜不够远,校正的是一个锥形体积,与目标真实经过的路径只部分重合,这叫锥效应。加上视场小,自适应光学至今主要服务于单目标的高分辨成像与光谱。
| 参数 | 数值 | 口径与来源 |
|---|---|---|
| 大气相干长度 r₀ | 500 nm 处约 10–20 cm | 好台址典型值 |
| 典型视宁度 | 约 0.6–1.0 角秒 | 台址监测统计 |
| 波前采样率 | 约 10²–10³ Hz | 需快于湍流变化 |
| 变形镜 | 微米级行程,纳米级定位 | 依促动器类型而定 |
| 钠导星高度 | 约 90 km | 中间层钠层 |
| 校正后斯特列尔比 | 近红外可达数十个百分点 | 依目标亮度与天况 |
哪些是观测,哪些还是推断
常见问题
大部分湍流集中在地表边界层,山顶常在逆温层之上,视宁度更好,水汽也更少。选址本质上是在挑一片大气最薄、最稳的地方。
很难。它需要亮导星、波前传感器和高速闭环,成本与复杂度都超出业余范畴。市面上少量民用产品作用有限。
相位误差要按波长折算。同样几百纳米的面形误差,在 500 nm 处占满一个波长,在 2 μm 处只占四分之一,所以红外先受益。
延伸阅读
- Beckers, J. M. 1993, Adaptive Optics for Astronomy, Annual Review of Astronomy and Astrophysics 31, 13
- Roddier, F. 1999, Adaptive Optics in Astronomy, Cambridge University Press
- ESO 甚大望远镜自适应光学说明页(eso.org)