空間光學(xué)

總的看來(lái)，在紅外波段使用的空間光學(xué)系統(tǒng)主要是紅外望遠(yuǎn)鏡。如上述第一顆紅外天文衛(wèi)星裝的紅外望遠(yuǎn)鏡，它采用的是一個(gè)相當(dāng)緊湊的雙反射鏡式的卡塞格倫光學(xué)系統(tǒng)，反射鏡及支架采用重量輕、強(qiáng)度高的鈹合金制造。主鏡口徑為60厘米，焦比為f/10，次鏡由主鏡的遮光板的環(huán)支撐，探測(cè)器為焦平面組件。整個(gè)系統(tǒng)（包括遮光罩、防反射板及內(nèi)部熱屏）都置于一個(gè)致冷的真空系統(tǒng)中。冷卻系統(tǒng)對(duì)不同的部件采用不同冷卻溫度，對(duì)探測(cè)器和它的前置放大器、場(chǎng)鏡及濾光片致冷到3K，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)致冷到10K，對(duì)遮光板冷到16K。據(jù)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(cè)設(shè)備主要有太陽(yáng)遠(yuǎn)紫外掠射望遠(yuǎn)鏡、遠(yuǎn)紫外太陽(yáng)單色光照相儀，遠(yuǎn)紫外分光計(jì)──太陽(yáng)單色光分光計(jì)、紫外線譜儀、紫外寬帶光度計(jì)等。它們所用的探測(cè)器與可見光觀測(cè)儀器類似，有照相乳膠、光電倍增管和像增強(qiáng)器。還可以使用氣態(tài)電離室和正比計(jì)數(shù)器。

在X射線波段上使用的儀器主要有各種X射線望遠(yuǎn)鏡、太陽(yáng)X 射線分光計(jì)、太陽(yáng)X 射線單色光照相儀以及各種類型的X 射線探測(cè)器。美國(guó)天空實(shí)驗(yàn)室上裝的S-056X射線望遠(yuǎn)鏡，全長(zhǎng)為253.7厘米，直徑為40.3厘米，重量為104.3千克，主望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)由兩維波管構(gòu)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(jī)機(jī)構(gòu)和膠片暗盒。光學(xué)系統(tǒng)按X射線掠入射的全反射原理設(shè)計(jì)，由一個(gè)凹面掠入射拋物面和后面緊接著一個(gè)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(nèi)徑為24.4厘米，有效視場(chǎng)為38角分，有效焦比為f/44。該望遠(yuǎn)鏡工作波段在6埃以上所有X 射線波長(zhǎng)范圍內(nèi)，具有很高的靈敏度和空間、時(shí)間分辨率。

空間光調(diào)制器是一類能將信息加載于一維或兩維的光學(xué)數(shù)據(jù)場(chǎng)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(shí)間變化的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)或其他信號(hào)的控制下，改變空間上光分布的振幅或強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)以及波長(zhǎng)，或者把非相干光轉(zhuǎn)化成相干光。由于它的這種性質(zhì)，可作為實(shí)時(shí)光學(xué)信息處理、光計(jì)算和光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中構(gòu)造單元或關(guān)鍵的器件。

空間光調(diào)制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(hào)的方式不同又可分為光尋址(oa-slm)和電尋址(ea-slm)。

空間光學(xué)的歷史如果從20世紀(jì)40年代發(fā)射探空火箭和發(fā)送氣球算起，不過幾十多年，然而它的發(fā)展是十分引人注目的。在1946年利用V-2火箭發(fā)射攝譜儀探測(cè)來(lái)自空間的紫外線；1957年蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星。人造衛(wèi)星的發(fā)射標(biāo)志著空間時(shí)代的到來(lái)。自此，空間光學(xué)開始了蓬勃發(fā)展的時(shí)期。60年代以后，美國(guó)相繼發(fā)射持續(xù)對(duì)整個(gè)太陽(yáng)觀測(cè)的軌道太陽(yáng)觀測(cè)臺(tái) (OSO)系列，蘇聯(lián)發(fā)射了一系列天文衛(wèi)星（主要有“預(yù)報(bào)號(hào)”衛(wèi)星系列），歐洲空間局也發(fā)射了特德－1A(TD-1A)衛(wèi)星。

不過它們所帶有的光學(xué)設(shè)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(guó)共發(fā)射了3個(gè)軌道天文臺(tái)(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(yuǎn)鏡，工作波段為1000～4000埃，空間分辨率為5角秒。1973年美國(guó)發(fā)射了載人天空實(shí)驗(yàn)室，上面的阿波羅望遠(yuǎn)鏡裝置是一組觀測(cè)太陽(yáng)的光學(xué)設(shè)備，它的發(fā)射使從空間對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)發(fā)展到一個(gè)新的階段。美國(guó)1978年發(fā)射的第二顆高能天文臺(tái)(HEAO)，它裝有一架大型掠射X 射線望遠(yuǎn)鏡，口徑為0.6米，焦距為3.4米，分辨率為1～2角秒。還有四種可更換的探測(cè)器：高分辨率成像器、晶體分光計(jì)、成像正比計(jì)數(shù)器、固體分光計(jì)。1983年1月26日世界上第一顆紅外天文衛(wèi)星發(fā)射成功，這顆衛(wèi)星是由荷蘭、美國(guó)和英國(guó)聯(lián)合研制的，它裝有一架口徑為60厘米的紅外望遠(yuǎn)鏡，其靈敏度比所使用的同類儀器高得多。

具體來(lái)說(shuō)，對(duì)地球觀測(cè)，主要是利用儀器通過可見光和紅外大氣窗口探測(cè)并記錄云層、大氣、陸地和海洋的一些物理特征，從而研究它們的狀況和變化規(guī)律。在民用上解決資源勘查（包括礦藏、農(nóng)業(yè)、林業(yè)和漁業(yè)等）、氣象、地理、測(cè)繪、地質(zhì)的科學(xué)問題，在軍事上為偵察、空間防御等服務(wù)；對(duì)空間(天體)觀測(cè)和研究，例如，對(duì)太陽(yáng)觀測(cè)主要是研究太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)過程、化學(xué)成分及太陽(yáng)活動(dòng)的長(zhǎng)期變化和快速變化；對(duì)太陽(yáng)系內(nèi)的行星、彗星以及對(duì)銀河系的恒星等天體的紫外線譜、反照率和散射的觀測(cè)，確定它們的大氣組成，從而建立其大氣模型。

人們從地面對(duì)空間觀測(cè)過渡到從空間對(duì)地和對(duì)天體觀測(cè)，從而擺脫大氣帶來(lái)的種種限制，是科學(xué)上的一大進(jìn)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(lái)限制著人們從地面和低空間對(duì)天空的觀測(cè)和研究。太陽(yáng)是強(qiáng)大的輻射體，它的輻射度最大值處于波長(zhǎng)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(dāng)太陽(yáng)光經(jīng)過大氣層時(shí)，由于大氣的種種作用，使它的能量衰減，投射到地面的太陽(yáng)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(dá)地面，在紅外波段上，波長(zhǎng)越長(zhǎng)吸收越強(qiáng)。同時(shí)，即使在大氣窗口可見光3000～7000埃和近紅外幾個(gè)波段的太陽(yáng)光也還要受到大氣的折射和湍流的影響，致使光學(xué)儀器的空間分辨率大大下降。

在空間對(duì)空觀測(cè)和研究超越了大氣層這個(gè)屏障，實(shí)現(xiàn)了可見光、紅外線、紫外線、X射線和γ射線全電磁波段探測(cè)，提高了測(cè)量精度。例如，據(jù)估計(jì)美空間望遠(yuǎn)鏡只有2.4米的口徑，其分辨率比地面5米口徑的海爾(Haier)望遠(yuǎn)鏡高十倍；此外，還可進(jìn)行全天時(shí)的巡天觀測(cè)。

空間激光通信是指用激光束作為信息載體進(jìn)行空間"_blank" href="/item/容量">容量大、重量輕、功耗和體積小、保密性高、建造和維護(hù)經(jīng)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)。

1、大通信容量：激光的頻率比微波高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)(其相應(yīng)光頻率在1013-1017 Hz)"_blank" href="/item/光纖通信技術(shù)/6909060" data-lemmaid="6909060">光纖通信技術(shù)可以移植到空間通信中來(lái)，光纖通信每束波束光波的數(shù)據(jù)率可達(dá)20Gb/s以上，并且可采用波分復(fù)用技術(shù)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(yōu)勢(shì)。

2、低功耗：激光的發(fā)散角很小，能量高度集中，落在接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡天線上的功率密度高，發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率可大大降低，功耗相對(duì)較低。這對(duì)應(yīng)于能源成本高昂的空間通信來(lái)說(shuō)，是十分適用的。

3、體積小、重量輕：由于空間激光通信的能量利用率高，使得發(fā)射機(jī)及其供電系統(tǒng)的重量減輕；由于激光的波長(zhǎng)短，在同樣的發(fā)散角和接收視場(chǎng)角要求下，發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡的口徑都可以減小。擺脫了微波系統(tǒng)巨大的碟形天線，重量減輕，體積減小。

4、高度的保密性"para" label-module="para">

5、激光空間通信具有較低的建造經(jīng)費(fèi)和維護(hù)經(jīng)費(fèi)。

空間光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展在于追求必要的精度和光譜、時(shí)間、空間分辨率，這與新技術(shù)、新器件以及信息傳輸與處理技術(shù)密切相關(guān)。發(fā)展的趨勢(shì)是發(fā)展多元線陣 CCD成像器件和大型二維陣列焦平面探測(cè)器的自描大型成像系統(tǒng)、發(fā)展數(shù)據(jù)控制技術(shù)、改善星上和地面的數(shù)據(jù)處理，縮短處理時(shí)間和降低成本；使用X射線天文物理設(shè)備擴(kuò)大高能天文觀測(cè)能力；利用太陽(yáng)地球觀測(cè)臺(tái)更詳細(xì)地研究太陽(yáng)—地球環(huán)境。2100433B

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