自适应光学(AO)是校正动态光学波前误差的技术。本文概述了近50年来AO的发展历程，包括发展初期，“星球大战”期间美国的发展，以及在地基高分辨力成像望远镜，激光系统(特别是惯性约束聚变)以及眼科等方面的应用，此外还给出AO的发展趋势。通过引用每一项技术发展，首创者的首篇文献，给出了比较清晰的发展脉络。

高功率固体板条激光器的光束质量严重受限于增益介质热效应等多种因素。如何同时获得高平均功率和高光束质量是激光发展过程中面临的一个基本物理问题。自适应光学技术能够有效补偿固体板条激光系统输出光束的静态和动态像差，是改善光束质量的有效手段。近年来中国科学院光电技术研究所掌握了低阶像差补偿器、加权优化波前复原方法、通用波前处理机等关键技术，为国内多个固体板条激光系统研制了二十余套自适应光学光束净化系统，显著改善了光束质量，保障了上述激光系统的有效运用。

综述了自适应光学技术在星地激光通信地面站上应用的最新进展。针对星地链路中湍流效应导致的相干度退化和可用度降低的问题，自适应光学技术成为美国和欧洲等国正在研制的中继卫星至地光通信系统解决上述问题的主导手段。这些项目计划开展的自适应光学技术、白天和夜晚多地面站接收技术和相干通信技术等关键技术验证表明，星地激光通信正向高速相干和全天时高可用度的工程化推进。国内成功进行了多次星地光通信试验，高可用度的相干激光通信技术的验证正在积极开展，自适应光学技术已应用到多个地面站并取得了较好的初步试验效果，相关技术进展与国外水平保持一致。

近年来，以激光大气传输为应用背景的光束相干合成技术被广泛研究，而关于该项技术在空间光通信中的应用研究却不多。事实上，基于光束相干合成的多孔径接收天线结构可有效缓解大气湍流影响，提高空间激光通信系统的性能。本论文简要介绍了中国科学院自适应光学重点实验室面向激光大气传输应用的激光组束传输与湍流校正技术研究近况；重点介绍关于多孔径接收空间光通信系统中的光纤相干合成研究进展，主要包括基于3 dB 光纤耦合器的相干合成和基于光纤偏振合束器的相干偏振合成两种方法，在空间光通信系统中具有极大的潜在应用。

为了满足自适应光学技术更广泛的应用需求，针对传统变形镜体积大、成本高的问题，本文研制了基于微机电系统技术的MEMS变形镜并进行了实验测试。本文研制的变形镜共有140个六边形平行板电容静电驱动器，驱动器为12×12正方形排列，间距400 μm。采用表面MEMS工艺加工了变形镜样品，并利用陶瓷PGA管壳和石英玻璃盖板对样品进行了封装，同时还研制了与之配套的小型化多通道高压驱动电源。测试结果表明，该变形镜表面PV 值411nm，RMS值78 nm，在600 nm 到900 nm 波段的反射率接近80%，行程1.8 μm，交连值约15%，工作带宽13kHz，阶跃响应时间23 μs，具有体积小、成本低、响应快等优势。除了进行了单元性能的测试之外，还开环控制变形镜进行了Zernike 像差的拟合测试，验证了变形镜的校正能力。结果表明，该变形镜能初步满足自适应光学系统的应用需求。

自适应光学技术能够对波前像差进行实时测量及调控。1997年，该技术被首次成功地应用于活体人眼像差的调控，并获得了接近衍射极限的高分辨力视网膜视细胞图像和传统低阶像差矫正无法达到的“超视力”。随后自适应光学技术在眼科学研究中得到迅速发展。就研究内容来看，该领域主要包括视网膜高分辨力成像和人眼像差操控与视功能研究两大方向。美国Rochester大学Williams教授和加利福利亚大学Roorda教授于2011年分别对视网膜高分辨力成像和人眼像差操控与视功能研究方向的研究作了非常全面的综述。1997 年，光电所在国内率先开展人眼自适应光学技术及其应用研究，本文在简单介绍人眼自适应光学系统原理的基础上，报道了光电所在该领域近五年的主要研究进展。

本文提出了一种基于随机梯度优化算法的倾斜镜模型辨识方法，实现对大口径压电倾斜镜的复杂频率响应规律的辨识与控制带宽提高。文章介绍了压电倾斜镜原理和数学模型，描述了随机梯度优化算法在模型辨识的应用过程，并通过实验验证的方式检验了算法辨识模型的准确性以及在提高系统控制带宽方面的能力；最后，利用随机梯度下降算法本文还开展了对抖动输入频谱的辨识，结合倾斜镜模型的辨识结果，获得了对特定频谱区域更高抑制能力的控制效果。

为进一步提高自适应光学系统的成像质量，本文针对目前广泛使用的盲解卷积，相位差法和斑点重建技术开展了深入研究；详细分析了以上三种技术的各自特点、应用场景和处理对象，并结合自适应光学系统的特点，有针对性的加以算法改进；实验采用自适应光学人眼视网膜细胞图像和自适应光学太阳黑子图像进行算法验证，结果表明经改进后的图像处理技术可以有效提高自适应光学图像的质量和分辨力，较好的满足了自适应光学系统对图像事后处理的需求。

对太阳大气进行大视场高分辨力光学成像观测是开展太阳物理、空间天气等基础与应用研究的重要前提。对于地基太阳望远镜而言，为了消除地球大气湍流对光学系统的影响，自适应光学是高分辨力成像观测必备的技术手段，与此同时，为了突破大气非等晕性对传统自适应光学校正视场的限制，近年来多层共轭自适应光学技术等大视场自适应光学得到极大发展。本文首先梳理国外太阳自适应光学系统研制情况，重点介绍国内太阳自适应光学技术发展及应用情况，并进一步介绍了后续大视场太阳自适应光学技术发展情况以及目前所取得的成果。

激光导引星系统(LGSF)是美国30 m望远镜(TMT)的组成部分之一，在满足TMT对科学目标高分辨力成像和光谱探测的性能需求方面，LGSF 具有重要的作用。LGSF 主要负责为窄视场红外自适应光学系统(NFIRAOS)和下一代TMT-AO 系统提供人造钠导星。本文主要讨论LGSF 以下几部分：设计概述，LGSF 星群模式，LGSF 波前误差分配，发射系统设计。

本文介绍了为“神光-Ⅲ”主机装置研制的五十套工程化自适应光学系统，包括系统技术方案，基于可拆卸技术的大口径变形镜和具有自动对准功能的哈特曼波前传感器两主要部件的性能，测量并分析了波前特性，系统校正结果表明：自适应光学系统改善了主机装置的光束质量，满足10倍衍射极限范围内激光能量大于95%的指标要求，确保“神光-Ⅲ”主机装置激光在主放大系统内的传输顺畅。

计算光场自适应光学成像技术将目标和干扰的光场进行整体测量，再利用目标与干扰光场的四维光场信息分布特点，通过计算方法将其进行有效地区分、滤除，能在大视角范围内对干扰导致的目标光场波前畸变进行探测复原，并以计算方式自适应地补偿成像空间中的复杂波前像差扰动。与传统自适应光学成像方法相比，该方法具有较大的探测视场，可以直接以扩展目标作为信标进行波前信息解算。本文从传统自适应光学技术面临的挑战出发，简述了计算光场自适应光学成像技术的优势及发展现状，介绍了研究团队在计算光场自适应光学成像方面开展的主要工作。

光学系统仿真软件Seelight是一款可以模拟光束产生、大气传输与自适应光束控制等光学系统的具有自主知识产权的系统仿真软件，为光学系统应用研究提供了有效的仿真工具。本文首先介绍了Seelight软件的基本构架、运行界面和主要模型库包含的模块，并利用自适应光学相关的基本模型搭建了自适应光学仿真系统，模拟了PZT变形镜模块和哈特曼波前波传感器模块构成自适应光学仿真系统通过校正光束大气传输的波前畸变来提高远场光斑的光束质量的过程。验证了在不同的湍流强度下，自适应光学仿真系统的校正效果随着湍流强度的增加，校正残差大幅增加。利用Seelight软件可以对包含自适应光学系统的各种光学系统进行仿真建模，并可以对系统进行有效的验证分析和优化设计。