自適應光學技術利用可改變面形的能動鏡面實時補償大氣湍流、光學系統(tǒng)的波前像差，使光學系統(tǒng)具有自動適應外界條件變化、始終保持良好工作狀態(tài)的能力，廣泛應用于天文高分辨觀測、激光大氣傳輸和生物醫(yī)學成像等領域。傳統(tǒng)的天文自適應光學系統(tǒng)通常安裝在獨立于望遠鏡的平臺，主要由專門的變形反射鏡、傾斜反射鏡、波前傳感器和多類中繼光學元件等組成。由于望遠鏡與自適應光學系統(tǒng)各自的光學元件多、光路距離長，導致天文高分辨成像系統(tǒng)存在體積龐大、靜態(tài)像差大、光能利用率低等問題，不利于對暗弱星體的高時空波前探測與校正。為了克服以上缺陷，美國天文學家Beckers首次提出了變形次鏡（Deformable Secondary Mirror, DSM）的概念，即將望遠鏡的次鏡改造為變形鏡用于波前校正，以實現(xiàn)望遠鏡與自適應光學系統(tǒng)的深度融合。此后，基于音圈電機的變形次鏡(Voice Coil DSM, VCDSM)在MMT、LBT、Magellan和VLT等多座著名的大口徑地基天文望遠鏡上率先得到應用，成功驗證了變形次鏡技術。與此同時，中國科學院光電所研制了一塊73單元的壓電驅(qū)動變形次鏡(Piezoelectric DSM, PDSM)，并于2016年在1.8-m望遠鏡上首次對恒星觀測，驗證了壓電驅(qū)動變形次鏡技術路線用于天文觀測的可行性。與VCDSM相比，PDSM的結構更為簡潔，不需要額外的驅(qū)動器位置傳感器、驅(qū)動器內(nèi)部控制電子設備和冷卻系統(tǒng)等。 

中國科學院光電所自適應光學研究團隊介紹了光電所研制的新型241單元PDSM及其在麗江觀測站1.8-m自適應望遠鏡上的應用。241單元變形次鏡(PDSM-241)配備了一個直徑為320 mm的石英反射鏡，如圖1所示，通光孔徑為270 mm，包含241個壓電驅(qū)動器，通過改變其鏡面面形進行波前校正。PDSM-241自校正后的鏡面像差RMS約為10 nm。圖2展示了麗江1.8-m自適應望遠鏡的結構：PDSM-241與六足定位機構（Hexapod）組合在一起構成組合波前校正裝置，實現(xiàn)大行程、高精度的精密跟蹤與高階像差校正。被大氣湍流扭曲的恒星光束首先經(jīng)過主鏡反射，然后由PDSM-241、Hexapod組合波前校正裝置進行波前畸變校正，之后通過第三鏡反射到耐氏焦點的波前傳感器和成像相機。

 
　

圖1. (a) PDSM-241的結構框架；(b) 驅(qū)動器布局（通光口徑: 270 mm）；(c) PDSM-241自整平后的波前像差圖 

圖2. 1.8-m自適應望遠鏡及光學平臺示意圖 

利用PDSM-241對波前像差的有效閉環(huán)校正，麗江1.8-m自適應望遠鏡獲取了恒星的高分辨圖像，其中可見光R波段（中心波長~640 nm）部分圖像如圖3所示，成像分辨力達到1.25倍衍射極限，成像斯特列爾比接近0.5。 

圖3. 恒星HIP49669的可見光R波段短曝光圖像(2022-04-28)。圖像均以線性尺度展示，峰值經(jīng)過歸一化處理。 

(a) SR = 0.491, FWHM = 0.0937”；(b) SR = 0.481, FWHM = 0.0953” 

瞄準大口徑光學望遠鏡的高集成度、高分辨力發(fā)展需求，該項研究在高性能壓電驅(qū)動變形次鏡的研制與天文觀測應用方面取得了顯著進展，使大口徑地基望遠鏡的結構進一步簡化，成像分辨力進一步提升。相關研究在天文觀測、激光傳輸?shù)阮I域具有重要價值。 

該工作以“High-resolution visible imaging with piezoelectric deformable secondary mirror: experimental results at the 1.8-m adaptive telescope” 為題發(fā)表在Opto-Electronic Advances 2023年第12期。該項工作獲得了國家自然科學基金數(shù)理學部重點項目的支持。