空间光学

学科名称

空间光学是在高层大气中和大气外层空间利用光学设备对空间和地球进行观测与研究的一个应用学科分支（对地观测见光学遥感）。人们从地面对空间观测过渡到从空间对地和对天体观测，从而摆脱大气带来的种种限制，是科学上的一大进展。对空间（天体）观测和研究，主要是利用不同波段及不同类型的光学设备，接收来自天体的可见光、红外线、紫外线和软X射线，探测它们的存在，测定它们的位置，研究它们的结构，探索它们的运动和演化规律。

发展简史

空间光学的历史如果从20世纪40年代发射探空火箭和发送气球算起，不过几十多年，然而它的发展是十分引人注目的。在1946年利用V-2火箭发射摄谱仪探测来自空间的紫外线；1957年苏联发射了第一颗人造卫星。人造卫星的发射标志着空间时代的到来。自此，空间光学开始了蓬勃发展的时期。60年代以后，美国相继发射持续对整个太阳观测的轨道太阳观测台 (OSO)系列，苏联发射了一系列天文卫星（主要有“预报号”卫星系列），欧洲空间局也发射了特德－1A(TD-1A)卫星。

不过它们所带有的光学设备大都工作在紫外和X 射线波段。从60年代中期到70年代初，美国共发射了3个轨道天文台(OAO)，其中OAO-3上装有一架口径91厘米的卡塞格伦式紫外望远镜，工作波段为1000～4000埃，空间分辨率为5角秒。1973年美国发射了载人天空实验室，上面的阿波罗望远镜装置是一组观测太阳的光学设备，它的发射使从空间对太阳的观测发展到一个新的阶段。美国1978年发射的第二颗高能天文台(HEAO)，它装有一架大型掠射X 射线望远镜，口径为0.6米，焦距为3.4米，分辨率为1～2角秒。还有四种可更换的探测器：高分辨率成像器、晶体分光计、成像正比计数器、固体分光计。1983年1月26日世界上第一颗红外天文卫星发射成功，这颗卫星是由荷兰、美国和英国联合研制的，它装有一架口径为60厘米的红外望远镜，其灵敏度比所使用的同类仪器高得多。

研究对象

具体来说，对地球观测，主要是利用仪器通过可见光和红外大气窗口探测并记录云层、大气、陆地和海洋的一些物理特征，从而研究它们的状况和变化规律。在民用上解决资源勘查（包括矿藏、农业、林业和渔业等）、气象、地理、测绘、地质的科学问题，在军事上为侦察、空间防御等服务；对空间(天体)观测和研究，例如，对太阳观测主要是研究太阳的结构、动力学过程、化学成分及太阳活动的长期变化和快速变化；对太阳系内的行星、彗星以及对银河系的恒星等天体的紫外线谱、反照率和散射的观测，确定它们的大气组成，从而建立其大气模型。

人们从地面对空间观测过渡到从空间对地和对天体观测，从而摆脱大气带来的种种限制，是科学上的一大进展。众所周知，地球周围存在着稠密的大气层，恰恰是这层大气，多年来限制着人们从地面和低空间对天空的观测和研究。太阳是强大的辐射体，它的辐射度最大值处于波长为0.47微米处，而辐射能的46%在0.40～0.70微米可见光谱段。当太阳光经过大气层时，由于大气的种种作用，使它的能量衰减，投射到地面的太阳光的短波部分被截止在0.3微米处，X射线和γ射线就更难到达地面，在红外波段上，波长越长吸收越强。同时，即使在大气窗口可见光3000～7000埃和近红外几个波段的太阳光也还要受到大气的折射和湍流的影响，致使光学仪器的空间分辨率大大下降。

在空间对空观测和研究超越了大气层这个屏障，实现了可见光、红外线、紫外线、X射线和γ射线全电磁波段探测，提高了测量精度。例如，据估计美空间望远镜只有2.4米的口径，其分辨率比地面5米口径的海尔(Haier)望远镜高十倍；此外，还可进行全天时的巡天观测。

测量仪器

总的看来，在红外波段使用的空间光学系统主要是红外望远镜。如上述第一颗红外天文卫星装的红外望远镜，它采用的是一个相当紧凑的双反射镜式的卡塞格伦光学系统，反射镜及支架采用重量轻、强度高的铍合金制造。主镜口径为60厘米，焦比为f/10，次镜由主镜的遮光板的环支撑，探测器为焦平面组件。整个系统（包括遮光罩、防反射板及内部热屏）都置于一个致冷的真空系统中。冷却系统对不同的部件采用不同冷却温度，对探测器和它的前置放大器、场镜及滤光片致冷到3K，对光学系统致冷到10K，对遮光板冷到16K。据称，其灵敏度比所使用的同类仪器高100倍。

在紫外波段使用的空间观测设备主要有太阳远紫外掠射望远镜、远紫外太阳单色光照相仪，远紫外分光计──太阳单色光分光计、紫外线谱仪、紫外宽带光度计等。它们所用的探测器与可见光观测仪器类似，有照相乳胶、光电倍增管和像增强器。还可以使用气态电离室和正比计数器。

在X射线波段上使用的仪器主要有各种X射线望远镜、太阳X 射线分光计、太阳X 射线单色光照相仪以及各种类型的X 射线探测器。美国天空实验室上装的S-056X射线望远镜，全长为253.7厘米，直径为40.3厘米，重量为104.3千克，主望远镜结构由两维波管构成。前管安装石英掠入射X 射线反射镜组件，后管安装照相机机构和胶片暗盒。光学系统按X射线掠入射的全反射原理设计，由一个凹面掠入射抛物面和后面紧接着一个凹面双曲面所组成。焦距为190.3厘米，集光面积为14.8平方厘米，掠入射角为 0.916度。在两反射镜相交处的反射镜内径为24.4厘米，有效视场为38角分，有效焦比为f/44。该望远镜工作波段在6埃以上所有X 射线波长范围内，具有很高的灵敏度和空间、时间分辨率。

设备

空间光调制器是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。

这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。由于它的这种性质，可作为实时光学信息处理、光计算和光学神经网络等系统中构造单元或关键的器件。

空间光调制器一般按照读出光的读出方式不同，可以分为反射式和透射式；而按照输入控制信号的方式不同又可分为光寻址(oa-slm)和电寻址(ea-slm)。

应用

空间激光通信是指用激光束作为信息载体进行空间?包括大气空间、低轨道、中轨道、同步轨道、星际间、太空间通信。激光空间通信与微波空间通信相比，波长比微波波长明显短，具有高度的相干性和空间定向性，这决定了空间激光通信具有通信容量大、重量轻、功耗和体积小、保密性高、建造和维护经费低等优点。

1、大通信容量：激光的频率比微波高3-4个数量级(其相应光频率在1013-1017 Hz)?作为通信的载波有更大的利用频带。光纤通信技术可以移植到空间通信中来，光纤通信每束波束光波的数据率可达20Gb/s以上，并且可采用波分复用技术使通信容量上升几十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的优势。

2、低功耗：激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应于能源成本高昂的空间通信来说，是十分适用的。

3、体积小、重量轻：由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系统的重量减轻；由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角要求下，发射和接收望远镜的口径都可以减小。摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量减轻，体积减小。

4、高度的保密性?激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的发散角通常在毫弧度，这使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干扰、防窃听的能力。

5、激光空间通信具有较低的建造经费和维护经费。

展望

空间光学系统的发展在于追求必要的精度和光谱、时间、空间分辨率，这与新技术、新器件以及信息传输与处理技术密切相关。发展的趋势是发展多元线阵 CCD成像器件和大型二维阵列焦平面探测器的自描大型成像系统、发展数据控制技术、改善星上和地面的数据处理，缩短处理时间和降低成本；使用X射线天文物理设备扩大高能天文观测能力；利用太阳地球观测台更详细地研究太阳—地球环境。

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