空间光调制器：给天文光学频率梳做“光谱磨平” |《光学学报（网络版）》

在宇宙中寻找“另一个地球”是天文学领域最激动人心的目标之一。正如我国“地球2.0”计划所展现的雄心，科学家们正致力于发现处于宜居带的类地行星，这些行星需要满足围绕类太阳恒星运行、具有岩质表面和适宜液态水存在的条件。实现这一目标的关键在于探测恒星因行星引力引起的微小运动——当类地行星绕恒星运行时，其引力导致的恒星径向速度变化幅度可小于10 cm/s。探测如此微弱信号，需要光谱仪具备极高的定标精度。

光学频率梳（天文光梳）的出现为这一挑战提供了解决方案。这种技术通过数万根等间距的梳状谱线，为光谱测量提供了如同“光尺”般的精确刻度。然而，为覆盖足够宽的光谱范围，光学频率梳需要通过非线性过程产生超连续谱，这导致光谱包络出现显著强度起伏，光谱动态范围可达数个数量级。

这种不均匀性在实际观测中引发严重问题：过强的梳齿信号会使探测器像素饱和，导致有效信息丢失；过弱的梳齿则被噪声淹没，显著降低定标可靠性。此外，强度差异巨大的相邻梳齿还会干扰光谱仪点扩散函数的精确标定，引入系统性误差，从而限制视向速度测量精度向10 cm/s乃至更高水平提升。

因此，实现超连续谱的强度平坦化成为发展高精度天文光谱定标技术必须解决的核心挑战。这一问题的有效解决，将直接提升对类地行星等微弱信号的捕获能力，对系外行星宜居性研究、宇宙学红移精确测量等前沿科学目标具有重要意义。

高精度天文光谱定标技术的发展，依赖于其核心光源（光学频率梳）光谱性能的不断提升；为解决其超连续谱固有强度起伏这一核心瓶颈，国内外研究团队主要沿“静态滤波”与“动态调控”两大技术路线进行了深入探索。 

静态滤波方案作为一种经典方法，其核心在于利用具有固定滤波函数的光学元件对光谱进行一次性整形，如使用布拉格光栅或声光可调谐滤波器等。这类方法的优势在于系统结构相对简单、光学效率高、稳定性好。然而，其根本局限在于滤波特性一旦制备完成即被固定，缺乏灵活性，无法适应不同中心波长的光梳光源，亦难以补偿光源自身或系统随时间的缓慢漂移。对于复杂的光谱轮廓，往往需要将多个滤波器级联使用，这显著增加了系统的设计复杂度、插入损耗和装调难度，且难以实现全局最优的平坦化效果。

动态调控方案代表了更具前景的发展方向，其核心是引入可编程的光谱整形器件，实现对光谱幅度或相位的实时、主动控制。其中，基于空间光调制器的技术尤为突出。SLM能够对入射光场的波前进行像素级的相位或振幅调制，相当于一个可编程的衍射光学元件。在国际上，该技术已广泛应用于超快激光脉冲整形、量子信息处理等领域，典型方案是将SLM置于4f脉冲整形系统的傅里叶平面，通过计算机控制加载在SLM上的调制图案，可以实现对光谱的任意幅度和相位滤波。这种方法的优势在于其灵活性和可编程性，理论上可以实现任意形状的光谱整形。然而，将传统基于光栅的SLM整形系统存在一些问题：光栅的多级衍射特性会导致不同衍射级次的光在SLM平面上发生重叠，这不仅造成了能量损失，更重要的是使得SLM对不同波长的独立控制失效，控制算法变得极其复杂，难以在宽光谱范围内实现高效、精确的全局优化。

针对上述动态调控方案中光栅多级衍射导致的光谱串扰与控制问题，课题组使用并实验验证了一种基于SLM与棱镜色散协同的新型光谱平坦化方案。工作的核心思路是“色散分离”与“主动反馈”，旨在构建一个无串扰、可编程的宽光谱整形系统。

图1 光学频率梳光谱平坦装置示意图

本研究的关键在于采用棱镜取代传统光栅作为核心色散元件。棱镜基于材料色散原理工作，其折射效应是单值的，从物理机制上彻底杜绝了多级衍射引起的不同波长光在空间上的重叠。经过棱镜色散后，不同波长的光在空间上被线性展开，并一一对应地投射到反射式液晶型SLM的不同像素列上。SLM的每个像素单元相当于一个独立、反射率可电控的“微型镜面”，通过精确编程施加在每列像素上的电压，可以独立地调节对应波长的光在反射时的相位延迟，进而实现对该波长光强度的衰减调控。这一架构确保了所有光谱成分均能被独立、无串扰地处理，为全局优化奠定了物理基础。

为实现高精度整形，研究人员建立了一套完整的系统校准与闭环控制流程。首先，通过精密标定建立了从SLM像素空间坐标到光波长（λ）的严格映射关系，为波长寻址提供了准确依据。在此基础上，开发了高效的迭代反馈整形算法。系统通过光谱仪实时采集输出光谱，算法将其与目标平坦光谱进行比较，计算得到当前光谱与目标光谱的强度差异，进而基于预先标定的SLM调制特性曲线，反演出下一次迭代所需加载的SLM调控图案。此过程循环进行，通常仅需单次迭代即可将光谱平坦度优化至3 dB以内，经过约10次迭代后，在580-920 nm的宽波段内，光谱平坦度可稳定优于1.8 dB。

图2 1 GHz光频梳原始光谱图和平坦光谱图

为满足天文光梳对高重复频率的要求，将1 GHz重复频率的激光通过宽带法布里-珀罗腔（FP腔）后产生近30 GHz重复频率的激光，并使用上述的平坦装置进行光谱整形和平坦处理，同样成功实现了优于3 dB的平坦化效果，完全满足天文观测对定标光源的苛刻要求。

图3 1 GHz光频梳经FP腔滤波后的原始光谱图与和平坦光谱图。（a）初始光谱图；（b）平坦光谱图

面向未来，本工作将在两个关键方向上持续深化：一是将光谱平坦化的有效范围从当前波段系统拓展至400–900 nm的完整可见光区，以覆盖更广泛的天文光谱仪工作窗口，提升其对不同观测目标的适用性；二是针对经法布里-珀罗腔滤波产生的高重复频率光频梳，引入高分辨率Echelle光谱仪实现对密集梳齿的精确分辨，并依托空间光调制器对每一根梳齿的强度进行独立、动态的调控，从而突破现有基于光谱包络整形的技术局限，实现真正意义上的梳齿级光谱均匀性控制。这一途径有望将天文光谱仪的定标精度提升至“cm/s”量级，为系外行星探测、宇宙学红移测量等前沿科学目标提供关键支撑。