自由空間光通信Free-space optical communication,FSO系統,提供高帶寬、低成本且安全的通信。然而,大氣通道損耗會影響FSO性能,因此,通常在系統中加入自適應光學Adaptive optics,以降低這些損耗。然而在遠距離、強湍流條件下,傳統自適應光學波前傳感器性能下降。利用相位多樣性進行波前傳感的替代方法,可以在強湍流中成功重建波前,但現有實現通常體積龐大且延遲高。
近日,美國CFD計算流體力學研究公司Arturo Martin Jimenez,Zachary J. Coppens團隊在Nature Photonics上發文,利用納米結構雙折射超表面光學元件,實現了低延遲、緊湊形式的相位多樣性波前傳感。
通過仿真和實驗驗證,研究證明該方法在中到強湍流(Rytov數0.2–0.6)條件下的有效性。在兩種情況下,經校正光束的平均信號強度,提高了約16倍。還展示了該方法在噪聲容忍和高分辨率復合場重建上的優勢。
該項研究,為緊湊、穩健的波前傳感開辟了新途徑,可提升自由空間光通信系統的傳輸距離和測量精度。
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Single-shot phase diversity wavefront sensing in deep turbulence via metasurface optics.
在深湍流中,通過超表面光學進行單次相位差異波前傳感。
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圖1:波前傳感技術的示意圖。
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圖2:超表面設計和制造。
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圖3:模型訓練流程和模擬結果。
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圖4:實驗演示。
美國CFD研究公司與陸軍太空與導彈防御司令部合作,開發出一種基于超表面光學元件的單次曝光相位多樣性波前傳感器,可在強湍流大氣中實現高精度波前重建。該傳感器利用雙折射納米結構超表面,同時生成八個不同焦深的點擴散函數,結合U-Net卷積神經網絡進行實時相位復原。實驗顯示,在Rytov數0.2–0.6的強湍流條件下,校正后光束信號平均提升16倍,遠超傳統夏克-哈特曼傳感器。該技術為自由空間光通信、激光雷達等系統在惡劣大氣條件下的穩定運行提供了緊湊、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。
光學系統:1550 nm激光源、空間光調制器(SLM)、四分之一波片、線性偏振片、中波紅外相機(FLIR A6750)。
科普解讀
為什么星星會“眨眼”?這是因為大氣湍流讓光線發生了扭曲。在激光通信中,這種扭曲會導致信號嚴重衰減。傳統矯正設備又大又慢,尤其在強湍流中幾乎失效。這種“超薄智能鏡片”——超表面,上面布滿了比頭發絲還細的納米柱,能同時捕捉光線在不同“焦點”上的形態。再配合AI神經網絡,不到3毫秒就能算出如何矯正扭曲的光波。使用該技術后,接收到的信號強度提升了16倍!這意味著未來無論是深空通信,還是地面激光雷達,都能在惡劣天氣中保持高清、高速、高穩定運行。
文獻鏈接
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。
來源:今日新材料
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