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，大氣通道損耗會影響FSO性能，因此，通常在系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)有實現(xiàn)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(fā)文，利用納米結(jié)構(gòu)雙折射超表面光學元件，實現(xiàn)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(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(yōu)勢。

該項研究，為緊湊、穩(wěn)健的波前傳感開辟了新途徑，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(shù)的示意圖。

圖2:超表面設(shè)計和制造。

圖3:模型訓練流程和模擬結(jié)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(fā)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(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，同時生成八個不同焦深的點擴散函數(shù)，結(jié)合U-Net卷積神經(jīng)網(wǎng)絡進行實時相位復原。實驗顯示，在Rytov數(shù)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(tǒng)夏克-哈特曼傳感器。該技術(shù)為自由空間光通信、激光雷達等系統(tǒng)在惡劣大氣條件下的穩(wěn)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(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（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(fā)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(tǒng)矯正設(shè)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(fā)絲還細的納米柱，能同時捕捉光線在不同“焦點”上的形態(tài)。再配合AI神經(jīng)網(wǎng)絡，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(wěn)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

聲明：僅代表譯者觀點，如有不科學之處，請在下方留言指正！