【科學(xué)中國人】緊追前沿——迎接自適應(yīng)光學(xué)時代的到來
發(fā)布日期：2008-05-23 閱讀次數(shù)：
《科學(xué)中國人》2008年05期
李春麗
自適應(yīng)光學(xué)
——神奇的智能探測工具
中國人認(rèn)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(dǎo)的科技革命浪潮,，已經(jīng)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(huán)境對人類生存環(huán)境的影響,，人類為探索宇宙奮斗了數(shù)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(fā),。你也許會想,，這有什么了不起的。但是,，如果這次火山爆發(fā)發(fā)生在另一個星球上,，距地球6億2千萬公里。這次火山爆發(fā)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(yīng)光學(xué)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(yīng)光學(xué)正主導(dǎo)著地基天文學(xué)的革命。
在那里,，新技術(shù)戰(zhàn)勝了由來已久的問題——大氣湍流會使望遠(yuǎn)鏡成的像變得模糊,。通過使用復(fù)雜的波前探測器、高速計算機以及在1秒鐘內(nèi)能數(shù)百次改變自己外形的“彈性鏡面”,，天文學(xué)家可以消除大氣抖動引起星光的閃爍和像面模糊,。
自適應(yīng)光學(xué)這一構(gòu)想可以追溯到20世紀(jì)50年代，當(dāng)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(yīng)光學(xué)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(chǎn)生大氣密度的隨機變化，從而導(dǎo)致大氣折射率的隨機變化,，這些變化的累積效應(yīng)導(dǎo)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(xiàn)聚焦,、偏折等現(xiàn)象,，從而導(dǎo)致光閃爍和光像抖動等效應(yīng)。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(yán)重地限制了大口徑天文望遠(yuǎn)鏡分辨率的提高,。同時也限制了激光雷達(dá),、激光大氣傳輸?shù)阮I(lǐng)域的發(fā)展。
為了克服大氣擾動對望遠(yuǎn)鏡成像分辨率的影響,，自適應(yīng)光學(xué)開始進(jìn)入實用性研究,，發(fā)展成為一種嶄新的光學(xué)理論、方法和技術(shù),。它利用被測目標(biāo)附近的信標(biāo)光,，通過實時測量由大氣湍流產(chǎn)生的隨機光學(xué)波前擾動引起的光學(xué)波前像差,，再由高速處理和控制器，驅(qū)動能夠快速產(chǎn)生波前形變的波前校正器,，實現(xiàn)了對光學(xué)波前誤差的實時補償校正,。
自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)能實時感知由大氣擾動、環(huán)境溫度起伏,、光軸抖動等因素造成的波面畸變,，并通過調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)而實現(xiàn)實時畸變的補償,，因此在天文觀測,、信息獲取、激光照射等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代地基,、天基大型望遠(yuǎn)鏡幾乎無例外地采用自適應(yīng)光學(xué)（AO）系統(tǒng)，它使望遠(yuǎn)鏡的軸上分辨率達(dá)到近衍射極限的水平,。近年來,，隨著自適應(yīng)光學(xué)理論與技術(shù)的發(fā)展，已被廣泛地應(yīng)用于國家的軍事及民用領(lǐng)域,，如用于光學(xué)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?zé)岷司圩儗嶒?，提高靶?biāo)上的光功率密度,；用于醫(yī)用光學(xué)儀，實現(xiàn)人眼視網(wǎng)膜的高分辨率成像等,。自適應(yīng)光學(xué)這一新興學(xué)科正在以越來越快的步伐,，走進(jìn)科學(xué)，走進(jìn)生活,。
緊追前沿
——迎接自適應(yīng)光學(xué)時代的到來
我國的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)研究起步于20世紀(jì)70年代末,。1977年國外剛剛公布第一批自適應(yīng)光學(xué)文獻(xiàn)，國內(nèi)就敏銳地認(rèn)識到這項技術(shù)的重大意義,，中科院成都光電所,、北京理工大學(xué)自適應(yīng)光學(xué)與空間光學(xué)學(xué)科組等單位率先開展了自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域的研究。中國科學(xué)院成都光電所于1980年建立了全國第一個自適應(yīng)光學(xué)研究室,，開展了自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡原理和技術(shù)研究,，取得了多項突出成果。自上世紀(jì)八十年代以來,，北京理工大學(xué)自適應(yīng)光學(xué)與空間光學(xué)學(xué)科組,，一直致力于研究自適應(yīng)光學(xué)的理論、方法和前沿技術(shù),，承擔(dān)多項國家863項目,，國家自然科學(xué)基金,，國防預(yù)研及國家重大安全基礎(chǔ)研究項目。
北京理工大學(xué)自適應(yīng)光學(xué)與空間光學(xué)學(xué)科組這個基石厚重,、文化底蘊豐厚的科研團(tuán)隊瞄準(zhǔn)21世紀(jì)社會發(fā)展和科技需求,，長遠(yuǎn)規(guī)劃、遴選和整合科研方向,。著力于科研帶頭人的培養(yǎng),、科研團(tuán)隊的建設(shè)和基礎(chǔ)實驗設(shè)施建設(shè)。緊乘現(xiàn)代化建設(shè)浪潮之大勢,，在新世紀(jì)里,，以其獨特的科研特色取得了驕人業(yè)績。記者慕名前往,，拜訪了以俞信教授為首的學(xué)科組,，領(lǐng)略了他們火一樣的情懷和獨特的科研、教學(xué)理念,。
高屋建瓴,，突出特色
放眼新世紀(jì)，在“科教興國”戰(zhàn)略的推動下,，科研已形成百舸爭流,、千帆競發(fā)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(fā)展空間,。在國家知識創(chuàng)新體系中,，大學(xué)承擔(dān)著知識傳播和知識創(chuàng)新的作用，教學(xué)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(xué),，一定是教學(xué)有大師，科研有旗幟,。
北京理工大學(xué)自適應(yīng)光學(xué)與空間光學(xué)學(xué)科組作為我國最早開展自適應(yīng)光學(xué)研究的單位之一,，自上世紀(jì)八十年代以來，一直研究自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域的理論,、方法和前沿技術(shù),，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(yīng)光學(xué)系統(tǒng)研究,、自適應(yīng)光學(xué)在空間光學(xué)中的應(yīng)用等方面取得了突出成果,。先后完成了我國最早的自適應(yīng)光學(xué)專著兩本，《自適應(yīng)光學(xué)理論》（北京理工大學(xué)出版社,，1996.1）和《自適應(yīng)光學(xué)》（國防工業(yè)出版社,，1996.4），王大珩院士和姜文漢院士分別為書作序,。發(fā)表論文500余篇,，其中約80%以上被國際著名檢索機構(gòu)收錄。已獲得國防發(fā)明專利三項,，獲得部級科技進(jìn)步二等獎三項,，三等獎一項。
在教書育人方面,，學(xué)科組培養(yǎng)了我國第一個自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域的博士和博士后,。在自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域培養(yǎng)博士10余名,，碩士20余名,，博士后3名，及相關(guān)領(lǐng)域的博士,、碩士多名,。這些高層次人才多數(shù)已成長為各條戰(zhàn)線的帶頭人和骨干。
北京理工大學(xué)自適應(yīng)光學(xué)與空間光學(xué)學(xué)科組自成立以來,，在學(xué)科方向的遴選方面始終堅持追蹤前沿,，力求創(chuàng)新、突出特色的宗旨,。在上世紀(jì)80年代末學(xué)科組參研了863-308項目“弱光動態(tài)哈特曼－夏克波前傳感器實驗系統(tǒng)”的研究,，該研究以突破自適應(yīng)光學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)為目標(biāo)，達(dá)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(dá)到同期國際先進(jìn)水平，該成果1995獲部級科技進(jìn)步二等獎,；
學(xué)科組完成了“微重力兩相流空間實驗裝置”的光學(xué)機械部分研究,，該裝置是由中科院力學(xué)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(guān)鍵設(shè)備，于1999年5月12日搭載我國第一顆科學(xué)實驗衛(wèi)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(xì)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(shù)科學(xué)實驗數(shù)據(jù),，圓滿完成了預(yù)定空間實驗任務(wù),，具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價值。
自上世紀(jì)90年代后期,，學(xué)科組敏銳地意識到,，自適應(yīng)光學(xué)作為自主測控智能型的新型光學(xué)系統(tǒng)在航空,、航天光學(xué)領(lǐng)域有重大的應(yīng)用前景。學(xué)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(yīng)光學(xué)空間應(yīng)用的博士論文研究，建立了自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)用于空間光學(xué)遙感的理論與方法基礎(chǔ),。
為了自適應(yīng)光學(xué)能夠應(yīng)用于航空,、航天領(lǐng)域。必須克服通常自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)體積大,、重量重,、成本高等障礙。學(xué)科組在863計劃支持下,，于2000年研制完成我國第一臺性能優(yōu)良的微小型自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),，該系統(tǒng)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(xiàn)了微小型化。應(yīng)用該系統(tǒng)成功地完成了對動態(tài)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(xué)系統(tǒng)應(yīng)用,，可用于天文、遙感,、預(yù)警,、通信，在激光加工,、測試計量,、醫(yī)用光學(xué)等方面也有廣泛的應(yīng)用前景，被認(rèn)定為國家863計劃信息領(lǐng)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(xué)技術(shù)二等獎。
進(jìn)入新世紀(jì),，學(xué)科組的科學(xué)研究匯聚到自適應(yīng)光學(xué)空間遙感應(yīng)用特色方向,，先后完成了“機內(nèi)信標(biāo)及徑向斜率波前傳感方法”、“擴展信標(biāo)及相關(guān)哈特曼-夏克波前傳感方法”,、“空間光學(xué)遙感系統(tǒng)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(guān)鍵技術(shù)研究。學(xué)科組正不畏艱難,，一步一個腳印地為發(fā)展我國科技事業(yè)做出貢獻(xiàn),。
凝聚精英，依托團(tuán)隊
自上世紀(jì)八十年代末學(xué)科組組建起，時任北京理工大學(xué)光學(xué)系副主任,、主任的俞信教授開始擔(dān)當(dāng)學(xué)科負(fù)責(zé)人的責(zé)任,，經(jīng)過二十多年學(xué)科的發(fā)展，已形成了以多名教授,、博士生導(dǎo)師為核心的多學(xué)科交叉的科研團(tuán)隊,。
俞信：
1963年畢業(yè)于北京理工大學(xué) (原北京工業(yè)學(xué)院)紅外專業(yè)。1990年晉升為教授,，1993年被評為博士生導(dǎo)師,。1984年2月至1986年 2月為國家公派訪問學(xué)者在美國紐約州立大學(xué)石溪分校進(jìn)修，從事近代光學(xué)測試技術(shù)研究,。1987年至1993年任北京理工大學(xué)工程光學(xué)系副主任,、主任，1993年至2003年任北京理工大學(xué)副校長,，現(xiàn)任北京理工大學(xué)國家一級學(xué)科電子科學(xué)與技術(shù)首席教授,、北京理工大學(xué)學(xué)術(shù)委員會副主任，主要社會學(xué)術(shù)兼職有中國兵工學(xué)會光學(xué)學(xué)會主任委員,，“光學(xué)學(xué)報”常務(wù)編委,，華南師范大學(xué)兼職教授。北京市優(yōu)秀教師,，政府特殊津貼獲得者,。
長期從事光學(xué)、物理電子學(xué),、光電工程等學(xué)科領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作，作為課題組長在自適應(yīng)光學(xué)和生物光子學(xué)方向完成多項國家863科技計劃和國家自然科學(xué)基金研究計劃,，獲部級科技進(jìn)步獎二等獎二項,，三等獎一項，獲國家教學(xué)成果特等獎一項,、部級教學(xué)成果一等獎四項,，在國內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文近百篇，其中半數(shù)以上為SCI,、EI,、ISTP檢索。著有“近代莫爾測量技術(shù)”教材一本,，參編出版“自適應(yīng)光學(xué)”專著一本,。
趙達(dá)尊：
1962年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系，至北京理工大學(xué)光電工程系任教至今,。從事物理光學(xué),、高等光學(xué)類課程教學(xué)，應(yīng)用物理類科研。1990年經(jīng)國務(wù)院學(xué)位辦審批獲博士生導(dǎo)師資格?，F(xiàn)任信息學(xué)院光電工程系教授,，顏色科學(xué)與工程國家重點學(xué)科專業(yè)實驗室主任，中國照明學(xué)會圖像技術(shù)專委會主任,。
1981至1983赴美國亞拉巴馬大學(xué)任訪問學(xué)者,，從事光學(xué)信息處理和全息光學(xué)研究；1993至1994任美國賓州大學(xué)訪問教授,，從事光纖傳感和光折變晶體理論與應(yīng)用研究,。
發(fā)表著作《波動光學(xué)》《空間光調(diào)制器》《自適應(yīng)光學(xué)》等，其中《波動光學(xué)》獲全國普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材類,。主持或參加光學(xué)傳遞函數(shù),、光電信息處理、自適應(yīng)光學(xué),、顏色科學(xué)與工程等領(lǐng)域科研,，發(fā)表論文約200篇，獲全國科學(xué)大會獎和多項部級科技進(jìn)步獎,。政府特殊津貼獲得者,。
曹根瑞：
1963年畢業(yè)于北京理工大學(xué)（原北京工業(yè)學(xué)院）光學(xué)工程系光學(xué)設(shè)計與檢測專業(yè)，并留校工作,。1985年5月至1987年6月于美國亞利桑那大學(xué)光學(xué)中心進(jìn)修近代光學(xué)測試和大型光學(xué)非球面加工與檢測技術(shù),。歷任光學(xué)測量實驗室主任、光電技術(shù)教研室主任,、中國光學(xué)學(xué)會光電技術(shù)專業(yè)會付主任委員等職?，F(xiàn)任北京理工大學(xué)光電工程系教授。
曾講授“應(yīng)用光學(xué)”,、“光學(xué)測量”,、“光學(xué)測量與象質(zhì)鑒定”和“自適應(yīng)光學(xué)”等課程，編著出版“光學(xué)測量與象質(zhì)鑒定”和“自適應(yīng)光學(xué)”等教材和專著,，在國內(nèi)外著名學(xué)術(shù)刊物及國際上會議上發(fā)表論文40余篇,。近年主要從事自適應(yīng)光學(xué)、光學(xué)和光電檢測技術(shù),，近代干涉技術(shù)等研究,。獲多項部級科技進(jìn)步獎，政府特殊津貼獲得者,。
閻吉祥：
1970年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系（本科）,，1981年畢業(yè)于北京理工大學(xué)（研究生），留校工作至今,。1987－1988在加拿大約克大學(xué)作訪問學(xué)者,。1998年晉升教授,，2000年聘為博導(dǎo)。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(zhí)筆約2000千字。曾承擔(dān)或參加國家自然科學(xué)基金項目,，國家高技術(shù)（863）項目,，國家重大基礎(chǔ)研究（973）項目多項，發(fā)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(tuán)隊,。學(xué)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(xué),、光學(xué)工程,、測試計量技術(shù)、精密儀器,、控制等多個學(xué)科的學(xué)術(shù)帶頭人,，他們在長期的研究工作中，既發(fā)揮各個學(xué)科的特色和優(yōu)勢,，更注重發(fā)展多學(xué)科的交叉和融合,，團(tuán)結(jié)和諧、共同發(fā)展,。
學(xué)科組堅持創(chuàng)新,，注重學(xué)術(shù)交流，從理論,、技術(shù),、方法和應(yīng)用各個層面跟蹤國際前沿，并注重自主創(chuàng)新,。在弱光波前探測、多層共軛自適應(yīng)光學(xué),、微小型自適應(yīng)光學(xué),、新型波前傳感方法、多孔徑自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),、新型信標(biāo)與波前傳感方法,、共相位檢測方法等多方面取得了創(chuàng)新性的成果。
學(xué)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(yīng)光學(xué)領(lǐng)域的研究工作者前來交流與講學(xué),，同時積極參加國際相關(guān)學(xué)術(shù)會議,，緊跟國際自適應(yīng)光學(xué)研究趨勢。
學(xué)科組結(jié)合承擔(dān)的國家重大科研任務(wù),，注重培養(yǎng)成員的責(zé)任感和創(chuàng)新意識,。學(xué)科組將“人才興教”戰(zhàn)略定為發(fā)展第一戰(zhàn)略，堅持以環(huán)境凝聚人,、以事業(yè)造就人,、以制度保護(hù)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(xué)科組正持續(xù)地積極從海內(nèi)外引進(jìn)高素質(zhì)人才,，不斷構(gòu)筑人才高地。在這樣的環(huán)境中,，學(xué)科組的每個成員勤勉敬業(yè),，充滿激情地耕耘著自適應(yīng)光學(xué)事業(yè)。
說起學(xué)科建設(shè)和發(fā)展,，俞信教授說：“我們有兩點體會,。一是要遴選好學(xué)科方向，我們想國家所想,，急國家所急,，按國家科技發(fā)展規(guī)劃的要求，在自己的學(xué)科范圍內(nèi)遴選了自適應(yīng)光學(xué)與自適應(yīng)光學(xué)空間應(yīng)用這個主攻方向作為矢志奮斗的目標(biāo),。這個凝練了的方向符合國家需要,，由此得以承擔(dān)了多項863、973,、國家自然科學(xué)基金,、重點預(yù)研、國家重大基礎(chǔ)研究等國家科研任務(wù)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(xué)科組集體的微薄努力得以融入國家科技發(fā)展大業(yè) ，而與此同時,，個人和學(xué)科組也得到了長足進(jìn)步,。
二是要重視學(xué)科團(tuán)隊文化氛圍的建設(shè)。一個集體的文化氛圍是一個集體的靈魂,。我們體會到學(xué)科建設(shè)在做好提煉方向,、匯聚隊伍,、建設(shè)基地三件大事的同時，還要高度重視文化氛圍的建設(shè),。我們學(xué)科組是一個多學(xué)科的組織,，主要成員由不同學(xué)科組的學(xué)術(shù)帶頭人和學(xué)術(shù)骨干組成，搞好文化氛圍建設(shè)尤為重要,。通過取得共識和共同努力,，學(xué)科組內(nèi)部已初步形成報效國家、追求卓越,、通力合作,、和諧團(tuán)結(jié)的氛圍。這是寶貴的精神財富,、也是學(xué)科組生存和發(fā)展的基石,。”
坐在記者面前的他,，用睿智的思維,、穩(wěn)健的談吐，講述著這支團(tuán)隊的昨天,、今天,。我們祝福、我們相信明天北京理工大學(xué)自適應(yīng)光學(xué)與空間光學(xué)學(xué)科組定將為我國的自適應(yīng)光學(xué)事業(yè)持續(xù)地做出新的重要貢獻(xiàn),。
分享到：
