自由空間光通信Free-space optical communication，F(xiàn)SO系統(tǒng)，提供高帶寬、低成本且安全的通信。然而，大氣通道損耗會(huì)影響FSO性能，因此，通常在系統(tǒng)中加入自適應(yīng)光學(xué)Adaptive optics，以降低這些損耗。然而在遠(yuǎn)距離、強(qiáng)湍流條件下，傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)波前傳感器性能下降。利用相位多樣性進(jìn)行波前傳感的替代方法，可以在強(qiáng)湍流中成功重建波前，但現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)通常體積龐大且延遲高。

近日，美國(guó)CFD計(jì)算流體力學(xué)研究公司Arturo Martin Jimenez，Zachary J. Coppens團(tuán)隊(duì)在Nature Photonics上發(fā)文，利用納米結(jié)構(gòu)雙折射超表面光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)了低延遲、緊湊形式的相位多樣性波前傳感。

通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究證明該方法在中到強(qiáng)湍流（Rytov數(shù)0.2–0.6）條件下的有效性。在兩種情況下，經(jīng)校正光束的平均信號(hào)強(qiáng)度，提高了約16倍。還展示了該方法在噪聲容忍和高分辨率復(fù)合場(chǎng)重建上的優(yōu)勢(shì)。

該項(xiàng)研究，為緊湊、穩(wěn)健的波前傳感開(kāi)辟了新途徑，可提升自由空間光通信系統(tǒng)的傳輸距離和測(cè)量精度。

Single-shot phase diversity wavefront sensing in deep turbulence via metasurface optics.

在深湍流中，通過(guò)超表面光學(xué)進(jìn)行單次相位差異波前傳感。

圖1:波前傳感技術(shù)的示意圖。

圖2:超表面設(shè)計(jì)和制造。

圖3:模型訓(xùn)練流程和模擬結(jié)果。

圖4:實(shí)驗(yàn)演示。

美國(guó)CFD研究公司與陸軍太空與導(dǎo)彈防御司令部合作，開(kāi)發(fā)出一種基于超表面光學(xué)元件的單次曝光相位多樣性波前傳感器，可在強(qiáng)湍流大氣中實(shí)現(xiàn)高精度波前重建。該傳感器利用雙折射納米結(jié)構(gòu)超表面，同時(shí)生成八個(gè)不同焦深的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，結(jié)合U-Net卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)相位復(fù)原。實(shí)驗(yàn)顯示，在Rytov數(shù)0.2–0.6的強(qiáng)湍流條件下，校正后光束信號(hào)平均提升16倍，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)夏克-哈特曼傳感器。該技術(shù)為自由空間光通信、激光雷達(dá)等系統(tǒng)在惡劣大氣條件下的穩(wěn)定運(yùn)行提供了緊湊、低延遲的解決方案。

• 超表面：由非晶硅納米柱陣列構(gòu)成，沉積在熔融石英襯底上，利用電子束光刻與Bosch工藝刻蝕成形。

• 光學(xué)系統(tǒng)：1550 nm激光源、空間光調(diào)制器（SLM）、四分之一波片、線性偏振片、中波紅外相機(jī)（FLIR A6750）。

科普解讀

為什么星星會(huì)“眨眼”？這是因?yàn)榇髿馔牧髯尮饩€發(fā)生了扭曲。在激光通信中，這種扭曲會(huì)導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重衰減。傳統(tǒng)矯正設(shè)備又大又慢，尤其在強(qiáng)湍流中幾乎失效。這種“超薄智能鏡片”——超表面，上面布滿了比頭發(fā)絲還細(xì)的納米柱，能同時(shí)捕捉光線在不同“焦點(diǎn)”上的形態(tài)。再配合AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，不到3毫秒就能算出如何矯正扭曲的光波。使用該技術(shù)后，接收到的信號(hào)強(qiáng)度提升了16倍！這意味著未來(lái)無(wú)論是深空通信，還是地面激光雷達(dá)，都能在惡劣天氣中保持高清、高速、高穩(wěn)定運(yùn)行。

文獻(xiàn)鏈接

Martin Jimenez, A., Baltes, M., Cornelius, J. et al. Single-shot phase diversity wavefront sensing in deep turbulence via metasurface optics. Nat. Photon. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41566-025-01772-4

本文譯自Nature。

來(lái)源：今日新材料

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