如果說梵谷承受痛苦的精神湍流而畫出美麗的星空，天文學家則是克服變幻的大氣湍流而還原明晰的星空。相同的星空見證著人類在不同領域的探索：藝術和科學。
今天我們嘗試講一講關於自適應光學的輕故事。首先轉發一段兩分鐘的自適應光學科普動畫視頻(帶中文字幕)：
Adaptive Optics語義學
Adaptive Optics是複數還是單數呢？如果表示包含多個光學元件應為複數，如果表示所有元件組成的系統則為單數。以名詞單數出現時，optic是我們光學人的光學元件，但韋氏詞典中有一條指出，optic還是一種自命不凡的幽默用法(表示眼睛)。小編在一本叫做45%宿醉的小說中發現，optic還能音譯為奧普蒂克量杯(酒吧用以量烈性酒)。Optic加一個s就成我們了熟悉的光學，再加上adaptive就成了自適應光學。
如果說Horace Babcock早在1953年就提出了自適應光學的構想，但是韋氏詞典官網表示Adaptive Optics一詞見諸使用最早只能追溯到1966年。不管哪一年，自適應光學在幾十年間取得了巨大的發展，從無到有，從簡單到複雜，從望遠鏡到顯微鏡，也不斷豐富著我們的科學詞庫：
黑洞輻射諾貝爾獎
望遠鏡和顯微鏡是人類理解自然法則的兩個重要工具，而自適應光學從宏觀到微觀都有其用武之地。說起天文自適應光學，拓荒是非常合適不過的詞，因為適合建造天文望遠鏡的地方都很不適合人類居住，但是為了自適應光學技術，人類自能適應所有的惡劣環境，不管是戈壁還是高山或者地球上最乾燥的地方。
正是有了這些強大的望遠鏡，天文學家才能逐步揭開一項偉大的發現：我們的銀河系中心坐著一個巨大的黑洞，讓Reinhard Genzel和Andrea Ghez得以分享今年一半的諾貝爾物理學獎。兩人的團隊都利用自適應光學改善天文圖像，本文開頭用的一張動態圖就是凱克望遠鏡觀測銀河系中心時有無自適應光學作用下的圖像質量對比。兩人多年來並駕齊驅，不斷激勵對方突破更高精度。也許我們可以說，黑洞將輻射越來越多的諾貝爾獎。
這個發現可謂是科學的偉大傳承。作為雷射和微波放大器的發明者之一，Townes是Genzel在加州大學伯克利分校時的博士後導師。Genzel說，Townes在上世紀70年代就夢想完成他今天的壯舉，渴望用紅外探測器探索銀河系的中心，因為有天文學家認為那裡存在一個巨大的黑洞。可是當時的技術還不可行，幾十年後，他的夢想終於由學生實現。
在搜索看到的Andrea Ghez所有照片中，我們之所以選擇上面這張，是因為她背後的書架上放著著名的大黑書(Gravitation)。這本創新式教科書的三位編著者中有兩位諾獎得主：約翰惠勒和基普索恩，而前者正是黑洞一詞的創造者，後者因引力波研究和星際穿越為公眾熟知。從某種意義上講這也是一種科學的傳承。
如果您想聽Andrea Ghez親自講述在搜尋黑洞時如何利用自適應光學改善望遠鏡圖像質量，您可以在TED官網搜索她的名字找到她於2009年做的演講(The hunt for a supermassive black hole)。
「Gravity wins all other known forces.」自適應光學(AO)系統
AO系統一般包含以閉環工作的三個主要組件：波前傳感器，用於測量波前畸變；可變形反射鏡，通過變形校正波前畸變；波前重構算法，根據波前測量信息計算變形量並傳送給可變形反射鏡。
最常用的波前傳感器是Shack‐Hartmann傳感器，也有人稱之為Hartmann-Shack，或者乾脆簡稱為Hartmann傳感器；確實Roland Shack都不配在維基百科擁有自己的詞條！不管怎樣，Johannes Hartmann在1900年發明了一種用於檢測大型光學元件成像質量的陣列孔掩模，而Roland Shack在1971年將其改進為微透鏡陣列圖案，波前測量的基本原理如下圖。
MEMS可變形反射鏡是AO系統中最貴的組件。借用Boston Micromachines公司的聯合創始人Bifano教授的話說就是：20年前只有100個驅動器的變形鏡售價超過30萬美元，如今具有140個驅動器的變形鏡以人民幣購買也只略高於15萬。正是由于越來越多的人研究自適應光學，量產使價格大為降低。當然還有便宜好幾倍的壓電變形鏡，兩種類型的變形鏡可以優勢互補，搭建所謂的Woofer-Tweeter自適應光學系統，聽起來很啁啾的樣子。如需AO基本原理的詳細介紹歡迎您點擊頁面最下方的閱讀原文。
天文望遠鏡使用自適應光學技術需要雷射導星系統。對於熱愛自適應光學的天文學家而言，這真是愛在空氣中，飄忽不定難以琢磨，幸好還有強大的雷射(功率其實也就一兩個LED燈泡的功耗)。作為天空中的燈塔，雷射導星為校正大氣湍流導致的像差提供參考。一道道黃光直衝天際，真是光學中最壯觀炫酷的圖景之一。
顯微鏡：你好呀，自適應光學
生物學家們經常提及的問題包括如何利用自適應光學分辨更大的成像體積、如何處理強散射組織以及如何快速捕捉圖像。對於目前在加州大學伯克利分校工作的Na Ji(吉娜)博士而言，自適應光學是最基本的研究。她在Janilia研究園時期開發了一項基於貝塞爾光束的多光子體成像技術(已被Thorlabs獨家使用)，這種革命性體成像技術結合自適應光學能夠實現深度大腦的高分辨成像。
Ji Lab團隊前幾天剛剛在biorxiv發表了一篇介紹用於深度組織在體多光子成像的自適應光學模塊(https://doi.org/10.1101/2020.11.25.397968)。模塊中的關鍵組件之一就是Boston Micromachines公司的六邊形可變形反射鏡。
HEX111: 六邊形可變形反射鏡
2014年諾貝爾化學家得主Eric Betzig說，不管是超分辨還是衍射極限技術，自適應光學都能處理髮育胚胎或其它多細胞環境中成像時產生的像差。他自己則是在晶格光片超分辨顯微鏡中使用自適應光學技術，展示多細胞組織中最細微的亞細胞動力學。
https://www.hhmi.org/news/new-microscope-captures-detailed-3-d-movies-cells-deep-within-living-systems晶格光片顯微鏡的照明雷射陣列自適應光學技術還有一個重要應用是視網膜成像，觀察感光細胞研究各種眼疾的成因。但是，用雷射打眼睛豈不是犯了雷射安全的第一大忌？我們豈不是經常被警告不要用僅有一隻好眼睛直視雷射？！幸好光學中有一個術語叫做損傷閾值，據說損傷閾值最早是用兩隻可愛的兔子的眼睛確定的。但是，作為遠古光學大神，牛頓甚至有比光學更有趣的方法，在自己的眼球裡戳根針看看會發生什麼！
最後讓我們回到星空，在歌聲中結束我們的故事。