如果你抬頭看看夜空，特別是在遠離城市燈光的地方，就會發現很多閃爍的星星。古往今來，美麗的星空是詩人和浪漫主義者的靈感來源，但也一直是研究夜空和宇宙的天文學家們面臨的一個挑戰。它使自適應光學得以發展。如今，自適應光學被用來提高光學系統的功率，以消除光學介質所帶來的不良影響。
自適應光學：消除光學介質帶來的不必要影響
當一束來自天文物體（例如恒星）的光，穿過地球大氣層時，大氣層的湍流會導致這些恒星得圖像變得模糊和閃爍（閃光）。當你透過水池中或在火上觀察一個物體時，也會發現類似的效應。這種效應使光學儀器的分辨率受到限制，從而使天文圖像的質量變差。幾個世紀以來，天文學家們一直在嘗試消除或將低這種天文觀測 效應。他們曾嘗試在山頂上建造天文臺和向太空發射望遠鏡來避開這種效應。
為了克服這些困難，美國天文學家 Horace W. Babcock 在 1953 年創新性的提出了自適應光學這一。這個概念最初是為天文學和軍事應用單獨提出的，但直到現代計算機技術的出現，自適應光學才得以實行，被廣泛用于科學和商業應用中。
如今，自適應光學不僅被用于天文望遠鏡，還被用于激光通信和激光材料加工應用；氣象學類應用；監控等軍事和安全類應用；眼科和視覺科學等生物醫學技術類應用；用于提高圖像質量的消費類設備應用；甚至機器人視覺應用。
根據這份報告報道，全球自適應光學應用市場的營業額約有 4000 萬美元，預計 2022 年將增長到約 400 億美元。
一個自適應光學系統的示意圖。波前在頂部進入系統。光線首先照射到端傾斜鏡（TT），然后被引導到可變形鏡（DM）。波前被校正，部分光線被分光鏡（BS）分出。波面由波面傳感器（本例中為 Shack-Hartmann）測量，然后控制硬件向 DM 和 TT 鏡發送更新信號。兩個濾波輪（FW1 和 FW2）只在校準時使用。來源：Wikimedia Commons。該文件經 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license 授權使用。
自適應光學的基本原理簡單但很強大。自適應光學系統使用一個波前傳感器來測量進入的波前。波前傳感器對進入的波前進行測量并計算校正值，然后將其應用于光學元件中，對波前進行實時校正。光學元件和系統的關鍵部分主要是一個由連接到光學表面的執行器陣列組成的可變形鏡，這個光學表面隨執行器的運動而變形。
可以基于如磁、靜電或壓電等不同的方法來驅動可變形鏡。如今，最常用的方法是微機電系統（MEMS）可變形鏡。最近，科學家們正在探索一些新的理論，如微光機電系統（MOEMS）和鐵磁流體反射鏡。
用超大型望遠鏡制作的 HIC59206 星的圖像，經過自適應光學系統的校正。來源：Wikimedia Commons。本文件經 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license 授權使用。
使用 COMSOL 多物理場仿真軟件模擬自適應光學系統
使用多物理場仿真對自適應光學系統進行設計有很多好處，特別是對帶有不同 MEMS 執行器的可變形鏡進行設計。COMSOL Multiphysics 仿真軟件平臺是對這類自適應光學系統中的關鍵部件進行建模的理想工具。
自適應光學，特別是它在天文系統中的應用，曾經是我們多次在用戶年會上重點討論的話題。現代天體物理學是一門高科技科學，它從工業和研究之間的緊密聯系中獲取能量，用于解決宏大的科學項目中的各種工程挑戰。
天體物理學科學和工程的一個挑戰是開發大型先進望遠鏡，其鏡面直徑從幾米到高達 40 米。例如，目前正在夏威夷 Mauna Kea 天文臺建造的30 米望遠鏡，由于采用了創新的自適應光學系統，光學性能將比哈勃太空望遠鏡好近十倍。另一個正在智利建造的巨型望遠鏡是歐洲超大型望遠鏡，長達 39 米，其中一個鏡子將包含 6000 多個形狀每秒可變形 1000 次的執行器，。
COMSOL 用戶年會上的用戶案例研究
2012 年在米蘭舉行的 COMSOL 用戶年會上，來自意大利 Arcetri 天體物理觀測站和意大利卡西諾大學（University of Cassino and South Latium）的一個科學家團隊發表了一篇關于使用 COMSOL Multiphysics 設計一個基于磁路的自適應光學執行器，也稱為可變磁阻自適應鏡面線性執行器（VRALA）的論文。
在可見光波長上運行一個十米級望遠鏡的自適應鏡比在其他波長上運行的鏡子更細、更快。VRALA 是用于這些波長的執行器的理想選擇。該團隊在設計過程中使用 COMSOL 仿真軟件進行了電磁、結構和熱研究。
2013 年在 Rotterdam 舉行的 COMSOL 用戶年會上，來自 Arcetri 天體物理觀測站和意大利 ADS International 公司 和 Microgate 公司的團隊介紹了他們對位于 Arizona 的大型雙目望遠鏡和智利的超大望遠鏡的可變形鏡面的研究。
他們的自適應光學系統中的執行器的幾何形狀很復雜。例如，VLT 的可變形鏡有 1,170 個執行器。該團隊使用用 COMSOL Multiphysics 和 MATLAB? for LiveLink? 來計算所謂的影響函數，它將顯示任意組合的執行器將產生的變形。
在 2014 年劍橋舉行的 COMSOL 用戶年會上，來自 Arcetri 天體物理觀測站的一個團隊再次發表演講。這一次，他們展示了如何使用 COMSOL Multiphysics 和 LiveLink? for MATLAB? 將模擬的影響函數與測量結果相匹配，從而驗證了模擬結果。您可以在 COMSOL 論文和技術資料中找到這些論文。
2014 年在波士頓舉行的 COMSOL 用戶年會上，來自美國 NASA Goddard Space Flight Center 和美國 Newton 公司和 Iris AO 公司的科學家團隊展示了他們如何使用COMSOL 軟件開發的有限元模型對一個 MEMS 透鏡部分進行結構力學仿真。這個被稱為多鏡面陣列 的鏡面部分將被用作可見光消零日冕儀 的一個關鍵組件，旨在探測地球大小的系外行星。該團隊還使用 COMSOL 多物理場模型來預測該部分組件在太空飛行期間承受機械沖擊時的動態行為和應力。
MEMS 元件和器件的建模實例
MEMS 模塊內置了許多建模工具，能夠有效地模擬包括 MEMS 執行器在內的不同類型的 MEMS 元件和設備。
在這樣的設備中，需要考慮小尺度空間內的不同物理現象的耦合，如電磁-結構、熱-結構或流體-結構的相互作用。因此，MEMS 設備代表了真正的多物理場應用。
靜電驅動的懸臂梁
在 COMSOL 模型庫和 COMSOL 官網的案例下載頁面，您可以找到幾個與自適應光學系統相關的 COMSOL Multiphysics 示例模型。
例如，靜電驅動懸臂梁的模型顯示了彈性懸臂梁在靜電力作用下的彎曲情況。MEMS 模塊中的機電 接口允許計算懸臂梁在靜電力作用下的彈性變形，靜電力是由懸臂和它下面的基體之間的施加電位引起的。
當懸臂彎曲時，由于兩個表面之間的間隙形狀發生了變化，力也隨之改變。縫隙區域的變形由 COMSOL Multiphysics 內置的移動網格功能（這種功能也可稱為 ALE 或任意拉格朗日歐拉式）追蹤。整個過程中，COMSOL 仿真軟件會自動計算靜電力。
一個靜電驅動的懸臂中的位移模型。
靜電驅動的 MEMS 諧振器
使用同樣的機電 接口，也可以對 MEMS 懸臂進行模態、頻率和瞬態分析。您還可以估計系統變得不穩定時的臨界電壓，或吸合電壓。靜電驅動 MEMS 諧振器的模型序列顯示了如何模擬這種微機電諧振器，例如，通過計算系統的正常模態和與頻率相關響應來模擬。由于是教程案例，我們也創建了此模型的二維版本。
薄膜諧振器中的殘余應力
您也可以對制造過程中產生的薄膜諧振器的熱殘余應力進行建模。使用固體力學 接口、熱膨脹 功能和特征頻率 研究功能，可以計算出熱應力如何改變薄膜諧振器的諧振頻率。
預應力微鏡
另一個案例是預應力微鏡模型。這種鏡子可以作為一個光學反射裝置使用。為了創造弧形表面或類似彈簧的結構，MEMS 設備制造商有時會使用電鍍工藝在微鏡中引入殘余應力。這個案例演示了如何建立這樣的模型，并在模型中包括了初始應力和應變。此外，該模型還演示了不同材料的變形結構有什么不同，例如鋁和鋼。
鋁的微鏡變形和剝離。
鋼的微鏡變形和剝離。
在你的模型中模擬光學器件
COMSOL Multiphysics 還提供了許多用于光學仿真的其他功能，以及與機械、熱耦合仿真的功能，或模擬其他 MEMS 元件的功能。
波動光學模塊提供的波束包絡法專用工具，可用于模擬光學介質中的高頻電磁波。您也可以將結構力學與波動光學仿真相結合來進行模擬，就像這個腔體模型或波導仿真案例中。
新的射線光學模塊可用于建立光在光學介質和設備中的傳播模型，其中電磁波被看作射線。我們還有許多包括角隅反射器模型或牛頓望遠鏡系統中的光線傳播建模在內的許多射線光學仿真案例供您參考，可在 COMSOL 官網下載。
