空間光學

空間光學的歷史如果從20世紀40年代發射探空火箭和發送氣球算起，不過幾十多年，然而它的發展是十分引人注目的。在1946年利用V-2火箭發射攝譜儀探測來自空間的紫外線；1957年蘇聯發射了第一顆人造衛星。人造衛星的發射標誌著空間時代的到來。自此，空間光學開始了蓬勃發展的時期。60年代以後，美國相繼發射持續對整個太陽觀測的軌道太陽觀測台 (OSO)系列，蘇聯發射了一系列天文衛星（主要有“預報號”衛星系列），歐洲空間局也發射了特德－1A(TD-1A)衛星。

不過它們所帶有的光學設備大都工作在紫外和X 射線波段。從60年代中期到70年代初，美國共發射了3個軌道天文台(OAO)，其中OAO-3上裝有一架口徑91厘米的卡塞格倫式紫外望遠鏡，工作波段為1000～4000埃，空間解析度為5角秒。1973年美國發射了載人天空實驗室，上面的阿波羅望遠鏡裝置是一組觀測太陽的光學設備，它的發射使從空間對太陽的觀測發展到一個新的階段。美國1978年發射的第二顆高能天文台(HEAO)，它裝有一架大型掠射X 射線望遠鏡，口徑為0.6米，焦距為3.4米，解析度為1～2角秒。還有四種可更換的探測器：高解析度成像器、晶體分光計、成像正比計數器、固體分光計。1983年1月26日世界上第一顆紅外天文衛星發射成功，這顆衛星是由荷蘭、美國和英國聯合研製的，它裝有一架口徑為60厘米的紅外望遠鏡，其靈敏度比所使用的同類儀器高得多。

具體來說，對地球觀測，主要是利用儀器通過可見光和紅外大氣窗口探測並記錄雲層、大氣、陸地和海洋的一些物理特徵，從而研究它們的狀況和變化規律。在民用上解決資源勘查（包括礦藏、農業、林業和漁業等）、氣象、地理、測繪、地質的科學問題，在軍事上為偵察、空間防禦等服務；對空間(天體)觀測和研究，例如，對太陽觀測主要是研究太陽的結構、動力學過程、化學成分及太陽活動的長期變化和快速變化；對太陽系內的行星、彗星以及對銀河系的恆星等天體的紫外線譜、反照率和散射的觀測，確定它們的大氣組成，從而建立其大氣模型。

人們從地面對空間觀測過渡到從空間對地和對天體觀測，從而擺脫大氣帶來的種種限制，是科學上的一大進展。眾所周知，地球周圍存在著稠密的大氣層，恰恰是這層大氣，多年來限制著人們從地面和低空間對天空的觀測和研究。太陽是強大的輻射體，它的輻射度最大值處于波長為0.47微米處，而輻射能的46%在0.40～0.70微米可見光譜段。當太陽光經過大氣層時，由於大氣的種種作用，使它的能量衰減，投射到地面的太陽光的短波部分被截止在0.3微米處，X射線和γ射線就更難到達地面，在紅外波段上，波長越長吸收越強。同時，即使在大氣窗口可見光3000～7000埃和近紅外幾個波段的太陽光也還要受到大氣的折射和湍流的影響，致使光學儀器的空間解析度大大下降。

在空間對空觀測和研究超越了大氣層這個屏障，實現了可見光、紅外線、紫外線、X射線和γ射線全電磁波段探測，提高了測量精度。例如，據估計美空間望遠鏡只有2.4米的口徑，其解析度比地面5米口徑的海爾(Haier)望遠鏡高十倍；此外，還可進行全天時的巡天觀測。

總的看來，在紅外波段使用的空間光學系統主要是紅外望遠鏡。如上述第一顆紅外天文衛星裝的紅外望遠鏡，它採用的是一個相當緊湊的雙反射鏡式的卡塞格倫光學系統，反射鏡及支架採用重量輕、強度高的鈹合金製造。主鏡口徑為60厘米，焦比為f/10，次鏡由主鏡的遮光板的環支撐，探測器為焦平面組件。整個系統（包括遮光罩、防反射板及內部熱屏）都置於一個致冷的真空系統中。冷卻系統對不同的部件採用不同冷卻溫度，對探測器和它的前置放大器、場鏡及濾光片致冷到3K，對光學系統致冷到10K，對遮光板冷到16K。據稱，其靈敏度比所使用的同類儀器高100倍。

在紫外波段使用的空間觀測設備主要有太陽遠紫外掠射望遠鏡、遠紫外太陽單色光照相儀，遠紫外分光計──太陽單色光分光計、紫外線譜儀、紫外寬頻光度計等。它們所用的探測器與可見光觀測儀器類似，有照相乳膠、光電倍增管和像增強器。還可以使用氣態電離室和正比計數器。

在X射線波段上使用的儀器主要有各種X射線望遠鏡、太陽X 射線分光計、太陽X 射線單色光照相儀以及各種類型的X 射線探測器。美國天空實驗室上裝的S-056X射線望遠鏡，全長為253.7厘米，直徑為40.3厘米，重量為104.3千克，主望遠鏡結構由兩維波管構成。前管安裝石英掠入射X 射線反射鏡組件，后管安裝照相機機構和膠片暗盒。光學系統按X射線掠入射的全反射原理設計，由一個凹面掠入射拋物面和後面緊接著一個凹面雙曲面所組成。焦距為190.3厘米，集光面積為14.8平方厘米，掠入射角為 0.916度。在兩反射鏡相交處的反射鏡內徑為24.4厘米，有效視場為38角分，有效焦比為 f/44。該望遠鏡工作波段在6埃以上所有X 射線波長範圍內，具有很高的靈敏度和空間、時間解析度。

空間光調製器是一類能將信息載入於一維或兩維的光學數據場上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互連能力的器件。

這類器件可在隨時間變化的電驅動信號或其他信號的控制下，改變空間上光分佈的振幅或強度、相位、偏振態以及波長，或者把非相干光轉化成相干光。由於它的這種性質，可作為實時光學信息處理、光計算和光學神經網路等系統中構造單元或關鍵的器件。

空間光調製器一般按照讀出光的讀出方式不同，可以分為反射式和透射式；而按照輸入控制信號的方式不同又可分為光定址(oa-slm)和電定址(ea-slm)。

空間激光通信是指用激光束作為信息載體進行空間？包括大氣空間、低軌道、中軌道、同步軌道、星際間、太空間通信。激光空間通信與微波空間通信相比，波長比微波波長明顯短，具有高度的相干性和空間定向性，這決定了空間激光通信具有通信容量大、重量輕、功耗和體積小、保密性高、建造和維護經費低等優點。

1、大通信容量：激光的頻率比微波高3-4個數量級(其相應光頻率在1013-1017 Hz)?作為通信的載波有更大的利用頻帶。光纖通信技術可以移植到空間通信中來，光纖通信每束波束光波的數據率可達20Gb/s以上，並且可採用波分復用技術使通信容量上升幾十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的優勢。

2、低功耗：激光的發散角很小，能量高度集中，落在接收機望遠鏡天線上的功率密度高，發射機的發射功率可大大降低，功耗相對較低。這對應於能源成本高昂的空間通信來說，是十分適用的。

3、體積小、重量輕：由於空間激光通信的能量利用率高，使得發射機及其供電系統的重量減輕；由於激光的波長短，在同樣的發散角和接收視場角要求下，發射和接收望遠鏡的口徑都可以減小。擺脫了微波系統巨大的碟形天線，重量減輕，體積減小。

4、高度的保密性？激光具有高度的定向性，發射波束纖細，激光的發散角通常在毫弧度，這使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干擾、防竊聽的能力。

5、激光空間通信具有較低的建造經費和維護經費。

空間光學系統的發展在於追求必要的精度和光譜、時間、空間解析度，這與新技術、新器件以及信息傳輸與處理技術密切相關。發展的趨勢是發展多元線陣 CCD成像器件和大型二維陣列焦平面探測器的自描大型成像系統、發展數據控制技術、改善星上和地面的數據處理，縮短處理時間和降低成本；使用X射線天文物理設備擴大高能天文觀測能力；利用太陽地球觀測台更詳細地研究太陽—地球環境。