如果你抬头看看夜空，特别是在远离城市灯光的地方，就会发现很多闪烁的星星。古往今来，美丽的星空是诗人和浪漫主义者的灵感来源，但也一直是研究夜空和宇宙的天文学家们面临的一个挑战。它使自适应光学得以发展。如今，自适应光学被用来提高光学系统的功率，以消除光学介质所带来的不良影响。
自适应光学：消除光学介质带来的不必要影响
当一束来自天文物体（例如恒星）的光，穿过地球大气层时，大气层的湍流会导致这些恒星得图像变得模糊和闪烁（闪光）。当你透过水池中或在火上观察一个物体时，也会发现类似的效应。这种效应使光学仪器的分辨率受到限制，从而使天文图像的质量变差。几个世纪以来，天文学家们一直在尝试消除或将低这种天文观测 效应。他们曾尝试在山顶上建造天文台和向太空发射望远镜来避开这种效应。
为了克服这些困难，美国天文学家 Horace W. Babcock 在 1953 年创新性的提出了自适应光学这一。这个概念最初是为天文学和军事应用单独提出的，但直到现代计算机技术的出现，自适应光学才得以实行，被广泛用于科学和商业应用中。
如今，自适应光学不仅被用于天文望远镜，还被用于激光通信和激光材料加工应用；气象学类应用；监控等军事和安全类应用；眼科和视觉科学等生物医学技术类应用；用于提高图像质量的消费类设备应用；甚至机器人视觉应用。
根据这份报告报道，全球自适应光学应用市场的营业额约有 4000 万美元，预计 2022 年将增长到约 400 亿美元。
一个自适应光学系统的示意图。波前在顶部进入系统。光线首先照射到端倾斜镜（TT），然后被引导到可变形镜（DM）。波前被校正，部分光线被分光镜（BS）分出。波面由波面传感器（本例中为 Shack-Hartmann）测量，然后控制硬件向 DM 和 TT 镜发送更新信号。两个滤波轮（FW1 和 FW2）只在校准时使用。来源：Wikimedia Commons。该文件经 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license 授权使用。
自适应光学的基本原理简单但很强大。自适应光学系统使用一个波前传感器来测量进入的波前。波前传感器对进入的波前进行测量并计算校正值，然后将其应用于光学元件中，对波前进行实时校正。光学元件和系统的关键部分主要是一个由连接到光学表面的执行器阵列组成的可变形镜，这个光学表面随执行器的运动而变形。
可以基于如磁、静电或压电等不同的方法来驱动可变形镜。如今，最常用的方法是微机电系统（MEMS）可变形镜。最近，科学家们正在探索一些新的理论，如微光机电系统（MOEMS）和铁磁流体反射镜。
用超大型望远镜制作的 HIC59206 星的图像，经过自适应光学系统的校正。来源：Wikimedia Commons。本文件经 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license 授权使用。
使用 COMSOL 多物理场仿真软件模拟自适应光学系统
使用多物理场仿真对自适应光学系统进行设计有很多好处，特别是对带有不同 MEMS 执行器的可变形镜进行设计。COMSOL Multiphysics 仿真软件平台是对这类自适应光学系统中的关键部件进行建模的理想工具。
自适应光学，特别是它在天文系统中的应用，曾经是我们多次在用户年会上重点讨论的话题。现代天体物理学是一门高科技科学，它从工业和研究之间的紧密联系中获取能量，用于解决宏大的科学项目中的各种工程挑战。
天体物理学科学和工程的一个挑战是开发大型先进望远镜，其镜面直径从几米到高达 40 米。例如，目前正在夏威夷 Mauna Kea 天文台建造的30 米望远镜，的30米望远镜，由于采用了创新的自适应光学系统，光学性能将比哈勃太空望远镜好近十倍。另一个正在智利建造的巨型望远镜是欧洲超大型望远镜，长达 39 米，其中一个镜子将包含 6000 多个形状每秒可变形 1000 次的执行器。
COMSOL 用户年会上的用户案例研究
2012 年在米兰举行的 COMSOL 用户年会上，来自意大利 Arcetri 天体物理观测站和意大利卡西诺大学（University of Cassino and South Latium）的一个科学家团队发表了一篇关于使用 COMSOL Multiphysics 设计一个基于磁路的自适应光学执行器，也称为可变磁阻自适应镜面线性执行器（VRALA）的论文。
在可见光波长上运行一个十米级望远镜的自适应镜比在其他波长上运行的镜子更细、更快。VRALA 是用于这些波长的执行器的理想选择。该团队在设计过程中使用 COMSOL 仿真软件进行了电磁、结构和热研究。
2013 年在 Rotterdam 举行的 COMSOL 用户年会上，来自 Arcetri 天体物理观测站和意大利 ADS International 公司 和 Microgate 公司的团队介绍了他们对位于 Arizona 的大型双目望远镜和智利的超大望远镜的可变形镜面的研究。
他们的自适应光学系统中的执行器的几何形状很复杂。例如，VLT 的可变形镜有 1,170 个执行器。该团队使用用 COMSOL Multiphysics 和 MATLAB® for LiveLink™ 来计算所谓的影响函数，它将显示任意组合的执行器将产生的变形。
在 2014 年剑桥举行的 COMSOL 用户年会上，来自 Arcetri 天体物理观测站的一个团队再次发表演讲。这一次，他们展示了如何使用 COMSOL Multiphysics 和 LiveLink™ for MATLAB® 将模拟的影响函数与测量结果相匹配，从而验证了模拟结果。您可以在 COMSOL 论文和技术资料中找到这些论文。
2014 年在波士顿举行的 COMSOL 用户年会上，来自美国 NASA Goddard Space Flight Center 和美国 Newton 公司和 Iris AO 公司的科学家团队展示了他们如何使用COMSOL 软件开发的有限元模型对一个 MEMS 透镜部分进行结构力学仿真。这个被称为多镜面阵列 的镜面部分将被用作可见光消零日冕仪 的一个关键组件，旨在探测地球大小的系外行星。该团队还使用 COMSOL 多物理场模型来预测该部分组件在太空飞行期间承受机械冲击时的动态行为和应力。
MEMS 元件和器件的建模实例
MEMS 模块内置了许多建模工具，能够有效地模拟包括 MEMS 执行器在内的不同类型的 MEMS 元件和设备。
在这样的设备中，需要考虑小尺度空间内的不同物理现象的耦合，如电磁-结构、热-结构或流体-结构的相互作用。因此，MEMS 设备代表了真正的多物理场应用。
静电驱动的悬臂梁
在 COMSOL 模型库和 COMSOL 官网的案例下载页面，您可以找到几个与自适应光学系统相关的 COMSOL Multiphysics 示例模型。
例如，静电驱动悬臂梁的模型显示了弹性悬臂梁在静电力作用下的弯曲情况。MEMS 模块中的机电 接口允许计算悬臂梁在静电力作用下的弹性变形，静电力是由悬臂和它下面的基体之间的施加电位引起的。
当悬臂弯曲时，由于两个表面之间的间隙形状发生了变化，力也随之改变。缝隙区域的变形由 COMSOL Multiphysics 内置的移动网格功能（这种功能也可称为 ALE 或任意拉格朗日欧拉式）追踪。整个过程中，COMSOL 仿真软件会自动计算静电力。
一个静电驱动的悬臂中的位移模型。
静电驱动的 MEMS 谐振器
使用同样的机电 接口，也可以对 MEMS 悬臂进行模态、频率和瞬态分析。您还可以估计系统变得不稳定时的临界电压，或吸合电压。静电驱动 MEMS 谐振器的模型序列显示了如何模拟这种微机电谐振器，例如，通过计算系统的正常模态和与频率相关响应来模拟。由于是教程案例，我们也创建了此模型的二维版本。
薄膜谐振器中的残余应力
您也可以对制造过程中产生的薄膜谐振器的热残余应力进行建模。使用固体力学 接口、热膨胀 功能和特征频率 研究功能，可以计算出热应力如何改变薄膜谐振器的谐振频率。
预应力微镜
另一个案例是预应力微镜模型。这种镜子可以作为一个光学反射装置使用。为了创造弧形表面或类似弹簧的结构，MEMS 设备制造商有时会使用电镀工艺在微镜中引入残余应力。这个案例演示了如何建立这样的模型，并在模型中包括了初始应力和应变。此外，该模型还演示了不同材料的变形结构有什么不同，例如铝和钢。
铝的微镜变形和剥离。
钢的微镜变形和剥离。
在你的模型中模拟光学器件
COMSOL Multiphysics 还提供了许多用于光学仿真的其他功能，以及与机械、热耦合仿真的功能，或模拟其他 MEMS 元件的功能。
波动光学模块提供的波束包络法专用工具，可用于模拟光学介质中的高频电磁波。您也可以将结构力学与波动光学仿真相结合来进行模拟，就像这个腔体模型或波导仿真案例中。
新的射线光学模块可用于建立光在光学介质和设备中的传播模型，其中电磁波被看作射线。我们还有许多包括角隅反射器模型或牛顿望远镜系统中的光线传播建模在内的许多射线光学仿真案例供您参考，欢迎下载。
MATLAB 是 The MathWorks, Inc. 的注册商标。
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