文章来源：中国科学院南京天文光学技术研究所

太阳系外行星探测是国际天文学领域的一项重大前沿科学课题。系外行星的探测方法多种多样，其中包括视向速度测量、凌星法、微引力透镜等间接探测方法，以及直接成像法。直接成像法作为一种关键技术，能够将行星的光在物理空间上与宿主恒星的光分开，从而真正地“看到”行星的信号。后续通过光谱分析，可以研究该行星的大气成分，这是最终确认生命信号的关键步骤。

然而，直接成像法面临着巨大的挑战。由于恒星与其旁边行星的光强差异巨大，成像对比度高达百万倍到数十亿倍，形象地比喻就是要“看到隐藏在极亮的灯塔旁微弱的萤火虫”。为了解决这个技术难题，科学家们研究出了高对比度成像星冕仪（High-contrast Imaging Stellar Coronagraph，简称HCISC）技术。这项技术通过对恒星光能量进行调制，有效地抑制了行星所在区域的强光，使得隐藏在强背景光中的行星能够被清晰地成像，如图1所示。

图1 系外行星高对比度成像星冕仪技术效果演示：未加星冕仪，恒星强光将行星光淹没（左）；配置星冕仪之后，恒星强光被抑制，微弱行星光被成像（右，七点钟方向的亮点为行星）

下一代极大口径望远镜都将系外行星成像探测作为核心科学目标之一。为了实现这一目标，需要研发专门的自适应光学和高对比度成像星冕仪技术。然而，由于极大口径望远镜都采用子镜拼接结构，众多相邻子镜之间存在着很小但不容忽视的间隙。这些间隙会导致额外的衍射，从而制约高对比度成像的观测性能。本文将介绍一种用于极大口径望远镜开展系外行星探测的高对比度成像星冕仪技术。

图2 用于极大口径望远镜的HCISC星冕仪实验系统

针对下一代极大口径望远镜的系外行星成像探测需求，在国家自然科学天文联合重点基金的支持下，项目团队于2023年研制出了一种基于液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator, LC-SLM）的高对比度成像星冕仪实验系统，并完成了初步的实验测试与验证，如图2。

该实验系统利用激光器模拟来自恒星的点光源，经过准直镜准直后通过孔径光阑，再通过中继光路入射到SLM上。SLM动态生成极大口径望远镜的子镜拼接镜面结构，进而通过迭代优化控制SLM对上述特殊光瞳进行振幅调制。这样，目标探测区域内的衍射光就能被有效地抑制，从而获得高对比度的成像。

在实验中，我们使用了随机平行梯度下降（SPGD）算法来控制SLM。利用CCD科学相机在焦面采集点扩散函数（PSF）作为评估函数，我们设计出了一种基于随机并行梯度下降算法的光瞳渐变调制技术。通过采集点扩散函数反馈给SLM进行迭代优化，我们得到了如图3（A）所示的光瞳结构。经过HCISC系统的优化调制后，在4-12 λ/D的工作角范围内获得了10-6的成像对比度。调制前后的PSF图像分别如图3（B）和（C）所示，对比度曲线则如图3（D）所示。这些实验结果充分展示了我们的HCISC星冕仪实验系统在系外行星探测中的潜力和优势。

图3 实验测试结果：（A）拼接镜面光瞳结构；（B）初始PSF图像；（C）调制后的测试PSF图像；（D）测试获得的成像对比度曲线

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