研究前沿：流體力學CFD公司，超表面-波前傳感器 | Nature Photonics

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。

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。

圖1:波前傳感技術的示意圖。

圖2:超表面設計和制造。

圖3:模型訓練流程和模擬結果。

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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