談?wù)勚悄芄鈱W(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

摘要：現(xiàn)代光學(xué)研究有朝著宏觀/微觀雙向發(fā)展的趨勢(shì)，隨著光學(xué)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，傳統(tǒng)的，以“靜態(tài)系統(tǒng)”為主的光學(xué)技術(shù)已難以適應(yīng)科學(xué)研究的新需求。由此智能光學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，其是基于傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)提供的一個(gè)全新概念，其技術(shù)基礎(chǔ)主要依賴于自適應(yīng)光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)技術(shù)。本文從智能光學(xué)的概念出發(fā)，對(duì)智能光學(xué)技術(shù)（智能光學(xué)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制技術(shù)、動(dòng)態(tài)光學(xué)探測(cè)技術(shù)等）進(jìn)行評(píng)述。同時(shí)，基于智能光學(xué)技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)智能光學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：智能光學(xué) 自適應(yīng)及主動(dòng)光學(xué) 動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制 動(dòng)態(tài)光學(xué)探測(cè)及發(fā)展現(xiàn)狀

智能光學(xué)（Smart Optics or Intelligent Optics），是傳統(tǒng)光學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。智能光學(xué)集新材料、計(jì)算機(jī)信息、電子、緊密加工等現(xiàn)代技術(shù)于一體，極大地?cái)U(kuò)展了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。智能光學(xué)以自適應(yīng)光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，與微電子學(xué)、信息光學(xué)、光電子學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域有著緊密的聯(lián)系——智能光學(xué)與相關(guān)學(xué)科相互促進(jìn)、共同發(fā)展。

1 智能光學(xué)的概念

國(guó)外科學(xué)家（Greenaway）將智能光學(xué)定義為能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整的光學(xué)技術(shù)和組件。智能光學(xué)是一項(xiàng)不斷發(fā)展的概念，其最初是建立在自適應(yīng)光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)上的一項(xiàng)技術(shù)——以反射光學(xué)組件為主要設(shè)備進(jìn)行波前相位的動(dòng)態(tài)調(diào)制。這里將對(duì)自適應(yīng)光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1.1 自適應(yīng)光學(xué)

在介紹自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)前，先對(duì)“大氣湍流”的概念進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。大氣湍流實(shí)質(zhì)上是大氣中的一種運(yùn)動(dòng)形式，由于大氣湍流的存在，大氣中的水氣、熱量、動(dòng)量以及污染物的水平和垂直交換作用得到了極大地增強(qiáng)，而這種運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增大趨勢(shì)遠(yuǎn)大于分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的程度。我們知道，大氣屬于光波的傳輸媒介之一，光波在大氣當(dāng)中傳播時(shí)，由于受到大氣湍流的影響，進(jìn)而產(chǎn)生波前畸變（波前在經(jīng)過(guò)傳輸介質(zhì)傳輸后發(fā)生了變化）。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用旨在補(bǔ)償因大氣湍流或其他因素導(dǎo)致的波前畸變。當(dāng)前，自適應(yīng)光學(xué)主要在智能光學(xué)中起到利用變形鏡實(shí)現(xiàn)高速、小幅波前調(diào)制的重要作用。

1.2 主動(dòng)光學(xué)

主動(dòng)光學(xué)屬于一種波面校正技術(shù)，其旨在校正望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)及其支架受到溫度、重力等因素引起的變形。除大氣湍流的影響外，諸如溫度、壓力、重力等因素都可能會(huì)導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡的正常觀測(cè)受到干擾（波前產(chǎn)生形變），通過(guò)主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，可以控制計(jì)算機(jī)觸動(dòng)器根據(jù)波前形變情況調(diào)整自身的工作狀態(tài)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)消除波前形變。簡(jiǎn)而言之，主動(dòng)光學(xué)是通過(guò)望遠(yuǎn)鏡內(nèi)置的“改正儀”主動(dòng)改變鏡面形狀以提高像質(zhì)的技術(shù)。

隨著智能光學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，建立在適應(yīng)性光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)上的智能光學(xué)的概念也得到了進(jìn)一步補(bǔ)充，即具有可動(dòng)態(tài)調(diào)整、可自動(dòng)控制和可測(cè)量能力的光學(xué)技術(shù)、組件和系統(tǒng)�，F(xiàn)階段，折射衍射光學(xué)組件以及光電子組件等也被廣泛應(yīng)用于測(cè)控、調(diào)制波前相位的過(guò)程中；而動(dòng)態(tài)調(diào)整光學(xué)組件在智能光學(xué)中應(yīng)用，則進(jìn)一步擴(kuò)大了光學(xué)系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)波前幅度、偏振、波頻率、光強(qiáng)等參數(shù)的調(diào)制和測(cè)控。智能光學(xué)進(jìn)一步推動(dòng)了傳統(tǒng)光學(xué)的發(fā)展，對(duì)于一些設(shè)計(jì)復(fù)雜、常規(guī)加工難以實(shí)現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng)，利用智能光學(xué)可以有效地簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)提高光學(xué)系統(tǒng)的性能。智能光學(xué)在天文、軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

2 動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制

上文已經(jīng)提到，波前畸變是一個(gè)影響光學(xué)成像的重要因素，智能光學(xué)系統(tǒng)中的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)和主動(dòng)光學(xué)技術(shù)都是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)波前畸變的校正或補(bǔ)償。動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制作為智能光學(xué)的核心技術(shù)之一，其也是為了校正或補(bǔ)償波前畸變，從而提高光學(xué)系統(tǒng)的性能。這里以波前畸變的調(diào)制（校正或補(bǔ)償）為重點(diǎn)，介紹幾種常用的動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)制技術(shù)。

2.1 波前動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)

波前調(diào)制器是實(shí)現(xiàn)波前動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)的核心光學(xué)組件，其用于對(duì)波前相位或波前幅度進(jìn)行調(diào)制（某些波前調(diào)制器兼具波前相位和波前幅度調(diào)制的功能）。波前調(diào)制器通常由反射鏡和促動(dòng)器（二者組合為陣列）構(gòu)成，根據(jù)反射鏡拼接鏡面和整體鏡面的不同結(jié)構(gòu)，可以將波前調(diào)制器分為分立和連續(xù)兩種形式。自適應(yīng)光學(xué)和主動(dòng)光學(xué)常用的促動(dòng)器包括機(jī)電促動(dòng)器、壓力促動(dòng)器、壓電促動(dòng)器以及微機(jī)促動(dòng)器等。

自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)用于高速、小幅的波前調(diào)制，其波前調(diào)制器（也稱(chēng)之為波前校正器）對(duì)精度的要求比較高。自適應(yīng)光學(xué)常用的波前調(diào)制器有微機(jī)電變形鏡、電磁變形鏡、壓電變形鏡以及液晶空間光調(diào)制器等。當(dāng)前，自適應(yīng)光學(xué)波前調(diào)制器正朝向高密度、集成化、大幅度調(diào)制發(fā)展。提高促動(dòng)器的密度能夠有效降低實(shí)現(xiàn)校正波前畸變的難度，但其會(huì)降低調(diào)制幅度。