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《科學中國人》2008年05期

李春麗

自適應光學
——神奇的智能探測工具

    中國人認為：上下四方曰宇，古往今來曰宙。宇宙即所有的時間和空間的總稱。以太空探索為主導的科技革命浪潮，已經給人類社會帶來前所未有的巨大變遷，而為了揭示宇宙的形成與演化，探索生命的起源以及空間環境對人類生存環境的影響，人類為探索宇宙奮斗了數千年。
    1999年11月26日，在夏威夷的火山附近，斯科特•阿克頓（Scott Acton）目睹了一次火山爆發。你也許會想，這有什么了不起的。但是，如果這次火山爆發發生在另一個星球上，距地球6億2千萬公里。這次火山爆發光芒的大小就像是兩公里外看這句話末尾的句號那樣小，那么看到它又看清它就是一個令人驚嘆的奇跡。
    這就是自適應光學帶來的解密宇宙之謎的能力，近年來，世界上許多大天文臺里，自適應光學正主導著地基天文學的革命。
    在那里，新技術戰勝了由來已久的問題——大氣湍流會使望遠鏡成的像變得模糊。通過使用復雜的波前探測器、高速計算機以及在1秒鐘內能數百次改變自己外形的“彈性鏡面”，天文學家可以消除大氣抖動引起星光的閃爍和像面模糊。
    自適應光學這一構想可以追溯到20世紀50年代，當時海爾天文臺的胡瑞斯•拜勃庫克（Horace Bab cock）第一次提出了自適應光學的概念和工作原理。
    由于大氣的湍流運動，大氣溫度的隨機變化產生大氣密度的隨機變化，從而導致大氣折射率的隨機變化，這些變化的累積效應導致大氣折射率的明顯不均勻性，大氣折射率微小變化的作用類似于處在大氣中的小“透鏡”，它們使傳輸光束出現聚焦、偏折等現象，從而導致光閃爍和光像抖動等效應。這些“透鏡”的大小近似于湍流漩渦的尺度。
    大氣湍流對光傳播的影響，最早反映在天文觀測中。湍流的影響嚴重地限制了大口徑天文望遠鏡分辨率的提高。同時也限制了激光雷達、激光大氣傳輸等領域的發展。
    為了克服大氣擾動對望遠鏡成像分辨率的影響，自適應光學開始進入實用性研究，發展成為一種嶄新的光學理論、方法和技術。它利用被測目標附近的信標光，通過實時測量由大氣湍流產生的隨機光學波前擾動引起的光學波前像差，再由高速處理和控制器，驅動能夠快速產生波前形變的波前校正器，實現了對光學波前誤差的實時補償校正。
    自適應光學系統能實時感知由大氣擾動、環境溫度起伏、光軸抖動等因素造成的波面畸變，并通過調整光學系統而實現實時畸變的補償，因此在天文觀測、信息獲取、激光照射等領域有著廣泛的應用。現代地基、天基大型望遠鏡幾乎無例外地采用自適應光學（AO）系統，它使望遠鏡的軸上分辨率達到近衍射極限的水平。近年來，隨著自適應光學理論與技術的發展，已被廣泛地應用于國家的軍事及民用領域，如用于光學遙感載荷多種誤差源的實時校正以提高載荷的成像分辨率；用于激光通信的大氣擾動補償；用于激光可控熱核聚變實驗，提高靶標上的光功率密度；用于醫用光學儀，實現人眼視網膜的高分辨率成像等。自適應光學這一新興學科正在以越來越快的步伐，走進科學，走進生活。

緊追前沿
　　——迎接自適應光學時代的到來

    我國的自適應光學技術研究起步于20世紀70年代末。1977年國外剛剛公布第一批自適應光學文獻，國內就敏銳地認識到這項技術的重大意義，中科院成都光電所、北京理工大學自適應光學與空間光學學科組等單位率先開展了自適應光學領域的研究。中國科學院成都光電所于1980年建立了全國第一個自適應光學研究室，開展了自適應光學望遠鏡原理和技術研究，取得了多項突出成果。自上世紀八十年代以來，北京理工大學自適應光學與空間光學學科組，一直致力于研究自適應光學的理論、方法和前沿技術，承擔多項國家863項目，國家自然科學基金，國防預研及國家重大安全基礎研究項目。
    北京理工大學自適應光學與空間光學學科組這個基石厚重、文化底蘊豐厚的科研團隊瞄準21世紀社會發展和科技需求，長遠規劃、遴選和整合科研方向。著力于科研帶頭人的培養、科研團隊的建設和基礎實驗設施建設。緊乘現代化建設浪潮之大勢，在新世紀里，以其獨特的科研特色取得了驕人業績。記者慕名前往，拜訪了以俞信教授為首的學科組，領略了他們火一樣的情懷和獨特的科研、教學理念。

    高屋建瓴，突出特色
    放眼新世紀，在“科教興國”戰略的推動下，科研已形成百舸爭流、千帆競發的大好局面，開放的政策、靈活的體制和有利的氛圍，為各科研隊伍提供了更為廣闊、更具有個性化的發展空間。在國家知識創新體系中，大學承擔著知識傳播和知識創新的作用，教學和科研好似馬車的雙輪，飛機的兩翼，相互依存，缺一不可。一流的大學，一定是教學有大師，科研有旗幟。
    北京理工大學自適應光學與空間光學學科組作為我國最早開展自適應光學研究的單位之一，自上世紀八十年代以來，一直研究自適應光學領域的理論、方法和前沿技術，在弱光波前傳感方法、寬視場和部分校正理論、微小型自適應光學系統研究、自適應光學在空間光學中的應用等方面取得了突出成果。先后完成了我國最早的自適應光學專著兩本，《自適應光學理論》（北京理工大學出版社，1996.1）和《自適應光學》（國防工業出版社，1996.4），王大珩院士和姜文漢院士分別為書作序。發表論文500余篇，其中約80%以上被國際著名檢索機構收錄。已獲得國防發明專利三項，獲得部級科技進步二等獎三項，三等獎一項。
    在教書育人方面，學科組培養了我國第一個自適應光學領域的博士和博士后。在自適應光學領域培養博士10余名，碩士20余名，博士后3名，及相關領域的博士、碩士多名。這些高層次人才多數已成長為各條戰線的帶頭人和骨干。
    北京理工大學自適應光學與空間光學學科組自成立以來，在學科方向的遴選方面始終堅持追蹤前沿，力求創新、突出特色的宗旨。在上世紀80年代末學科組參研了863-308項目“弱光動態哈特曼－夏克波前傳感器實驗系統”的研究，該研究以突破自適應光學的關鍵技術為目標，達到波前探測精度λ/15(每子孔徑100光電子的極弱光條件下)，波前探測速度875次/秒，達到同期國際先進水平，該成果1995獲部級科技進步二等獎；
    學科組完成了“微重力兩相流空間實驗裝置”的光學機械部分研究，該裝置是由中科院力學所胡文瑞院士主持的我國空間流體物理實驗重大項目的關鍵設備，于1999年5月12日搭載我國第一顆科學實驗衛星“實踐五號”升空。歷時8天的實驗，完成了31個工況下的熱毛細對流與浮力對流實驗，獲得了12000余幅兩層流的運動圖象和近30個小時的工程參數科學實驗數據，圓滿完成了預定空間實驗任務，具有重要的科學和應用價值。
    自上世紀90年代后期，學科組敏銳地意識到，自適應光學作為自主測控智能型的新型光學系統在航空、航天光學領域有重大的應用前景。學科組在95-98期間，與航天部門合作，完成了我國第一個自適應光學空間應用的博士論文研究，建立了自適應光學應用于空間光學遙感的理論與方法基礎。
    為了自適應光學能夠應用于航空、航天領域。必須克服通常自適應光學系統體積大、重量重、成本高等障礙。學科組在863計劃支持下，于2000年研制完成我國第一臺性能優良的微小型自適應光學系統，該系統采用折疊式光路和新型的微小型器件，大大降低了體積、重量和成本，實現了微小型化。應用該系統成功地完成了對動態波前擾動和熱變形波前的校正。該項研究成果特別適合于空間及航空光學系統應用，可用于天文、遙感、預警、通信，在激光加工、測試計量、醫用光學等方面也有廣泛的應用前景，被認定為國家863計劃信息領域重要科技成果，參加了863計劃全國十五周年成果展，并于2003年獲得國防科學技術二等獎。
   進入新世紀，學科組的科學研究匯聚到自適應光學空間遙感應用特色方向，先后完成了“機內信標及徑向斜率波前傳感方法”、“擴展信標及相關哈特曼-夏克波前傳感方法”、“空間光學遙感系統波前誤差在軌測控”、“多子孔徑主鏡共相位誤差在軌測控”等關鍵技術研究。學科組正不畏艱難，一步一個腳印地為發展我國科技事業做出貢獻。

    凝聚精英，依托團隊
    自上世紀八十年代末學科組組建起，時任北京理工大學光學系副主任、主任的俞信教授開始擔當學科負責人的責任，經過二十多年學科的發展，已形成了以多名教授、博士生導師為核心的多學科交叉的科研團隊。

俞信：
     1963年畢業于北京理工大學 (原北京工業學院)紅外專業。1990年晉升為教授，1993年被評為博士生導師。1984年2月至1986年 2月為國家公派訪問學者在美國紐約州立大學石溪分校進修，從事近代光學測試技術研究。1987年至1993年任北京理工大學工程光學系副主任、主任，1993年至2003年任北京理工大學副校長，現任北京理工大學國家一級學科電子科學與技術首席教授、北京理工大學學術委員會副主任，主要社會學術兼職有中國兵工學會光學學會主任委員，“光學學報”常務編委，華南師范大學兼職教授。北京市優秀教師，政府特殊津貼獲得者。
    長期從事光學、物理電子學、光電工程等學科領域的教學與科研工作，作為課題組長在自適應光學和生物光子學方向完成多項國家863科技計劃和國家自然科學基金研究計劃，獲部級科技進步獎二等獎二項，三等獎一項，獲國家教學成果特等獎一項、部級教學成果一等獎四項，在國內外發表學術論文近百篇，其中半數以上為SCI、EI、ISTP檢索。著有“近代莫爾測量技術”教材一本，參編出版“自適應光學”專著一本。

趙達尊：
     1962年畢業于北京大學物理系，至北京理工大學光電工程系任教至今。從事物理光學、高等光學類課程教學，應用物理類科研。1990年經國務院學位辦審批獲博士生導師資格。現任信息學院光電工程系教授，顏色科學與工程國家重點學科專業實驗室主任，中國照明學會圖像技術專委會主任。
1981至1983赴美國亞拉巴馬大學任訪問學者，從事光學信息處理和全息光學研究；1993至1994任美國賓州大學訪問教授，從事光纖傳感和光折變晶體理論與應用研究。
    發表著作《波動光學》《空間光調制器》《自適應光學》等，其中《波動光學》獲全國普通高等學校優秀教材類。主持或參加光學傳遞函數、光電信息處理、自適應光學、顏色科學與工程等領域科研，發表論文約200篇，獲全國科學大會獎和多項部級科技進步獎。政府特殊津貼獲得者。

曹根瑞：
    1963年畢業于北京理工大學（原北京工業學院）光學工程系光學設計與檢測專業，并留校工作。1985年5月至1987年6月于美國亞利桑那大學光學中心進修近代光學測試和大型光學非球面加工與檢測技術。歷任光學測量實驗室主任、光電技術教研室主任、中國光學學會光電技術專業會付主任委員等職。現任北京理工大學光電工程系教授。
    曾講授“應用光學”、“光學測量”、“光學測量與象質鑒定”和“自適應光學”等課程，編著出版“光學測量與象質鑒定”和“自適應光學”等教材和專著，在國內外著名學術刊物及國際上會議上發表論文40余篇。近年主要從事自適應光學、光學和光電檢測技術，近代干涉技術等研究。獲多項部級科技進步獎，政府特殊津貼獲得者。

閻吉祥：
    1970年畢業于北京大學物理系（本科），1981年畢業于北京理工大學（研究生），留校工作至今。1987－1988在加拿大約克大學作訪問學者。1998年晉升教授，2000年聘為博導。先后主講研究生和本科生課程各4門，主編或參編著作14部，執筆約2000千字。曾承擔或參加國家自然科學基金項目，國家高技術（863）項目，國家重大基礎研究（973）項目多項，發表論文70余篇，獲部級2等獎3項。

    這是一個人才濟濟，專家云集的團隊。學科組多年來一直在國家的科研主線上開展工作，力求追蹤國際前沿。其核心成員為物理電子學、光學工程、測試計量技術、精密儀器、控制等多個學科的學術帶頭人，他們在長期的研究工作中，既發揮各個學科的特色和優勢，更注重發展多學科的交叉和融合，團結和諧、共同發展。
    學科組堅持創新，注重學術交流，從理論、技術、方法和應用各個層面跟蹤國際前沿，并注重自主創新。在弱光波前探測、多層共軛自適應光學、微小型自適應光學、新型波前傳感方法、多孔徑自適應光學系統、新型信標與波前傳感方法、共相位檢測方法等多方面取得了創新性的成果。
學科組重視國際交流。先后邀請了俄羅斯、意大利、荷蘭、美國等自適應光學領域的研究工作者前來交流與講學，同時積極參加國際相關學術會議，緊跟國際自適應光學研究趨勢。
     學科組結合承擔的國家重大科研任務，注重培養成員的責任感和創新意識。學科組將“人才興教”戰略定為發展第一戰略，堅持以環境凝聚人、以事業造就人、以制度保護人、以機制激勵人、以感情留住人的用人原則，積極營造人力資源“蓄水池”。近年來，學科組正持續地積極從海內外引進高素質人才，不斷構筑人才高地。在這樣的環境中，學科組的每個成員勤勉敬業，充滿激情地耕耘著自適應光學事業。
    說起學科建設和發展，俞信教授說：“我們有兩點體會。一是要遴選好學科方向，我們想國家所想，急國家所急，按國家科技發展規劃的要求，在自己的學科范圍內遴選了自適應光學與自適應光學空間應用這個主攻方向作為矢志奮斗的目標。這個凝練了的方向符合國家需要，由此得以承擔了多項863、973、國家自然科學基金、重點預研、國家重大基礎研究等國家科研任務并獲得國家對重點高校211工程、985工程的支持。我們個人和學科組集體的微薄努力得以融入國家科技發展大業 ，而與此同時，個人和學科組也得到了長足進步。
    二是要重視學科團隊文化氛圍的建設。一個集體的文化氛圍是一個集體的靈魂。我們體會到學科建設在做好提煉方向、匯聚隊伍、建設基地三件大事的同時，還要高度重視文化氛圍的建設。我們學科組是一個多學科的組織，主要成員由不同學科組的學術帶頭人和學術骨干組成，搞好文化氛圍建設尤為重要。通過取得共識和共同努力，學科組內部已初步形成報效國家、追求卓越、通力合作、和諧團結的氛圍。這是寶貴的精神財富、也是學科組生存和發展的基石。”
    坐在記者面前的他，用睿智的思維、穩健的談吐，講述著這支團隊的昨天、今天。我們祝福、我們相信明天北京理工大學自適應光學與空間光學學科組定將為我國的自適應光學事業持續地做出新的重要貢獻。