研究前沿：流体力学CFD公司，超表面-波前传感器 | Nature Photonics

自由空间光通信Free-space optical communication，FSO系统，提供高带宽、低成本且安全的通信。然而，大气通道损耗会影响FSO性能，因此，通常在系统中加入自适应光学Adaptive optics，以降低这些损耗。然而在远距离、强湍流条件下，传统自适应光学波前传感器性能下降。利用相位多样性进行波前传感的替代方法，可以在强湍流中成功重建波前，但现有实现通常体积庞大且延迟高。

近日，美国CFD计算流体力学研究公司Arturo Martin Jimenez，Zachary J. Coppens团队在Nature Photonics上发文，利用纳米结构双折射超表面光学元件，实现了低延迟、紧凑形式的相位多样性波前传感。

通过仿真和实验验证，研究证明该方法在中到强湍流（Rytov数0.2–0.6）条件下的有效性。在两种情况下，经校正光束的平均信号强度，提高了约16倍。还展示了该方法在噪声容忍和高分辨率复合场重建上的优势。

该项研究，为紧凑、稳健的波前传感开辟了新途径，可提升自由空间光通信系统的传输距离和测量精度。

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

在深湍流中，通过超表面光学进行单次相位差异波前传感。

图1:波前传感技术的示意图。

图2:超表面设计和制造。

图3:模型训练流程和模拟结果。

图4:实验演示。

美国CFD研究公司与陆军太空与导弹防御司令部合作，开发出一种基于超表面光学元件的单次曝光相位多样性波前传感器，可在强湍流大气中实现高精度波前重建。该传感器利用双折射纳米结构超表面，同时生成八个不同焦深的点扩散函数，结合U-Net卷积神经网络进行实时相位复原。实验显示，在Rytov数0.2–0.6的强湍流条件下，校正后光束信号平均提升16倍，远超传统夏克-哈特曼传感器。该技术为自由空间光通信、激光雷达等系统在恶劣大气条件下的稳定运行提供了紧凑、低延迟的解决方案。

• 超表面：由非晶硅纳米柱阵列构成，沉积在熔融石英衬底上，利用电子束光刻与Bosch工艺刻蚀成形。

• 光学系统：1550 nm激光源、空间光调制器（SLM）、四分之一波片、线性偏振片、中波红外相机（FLIR A6750）。

科普解读

为什么星星会“眨眼”？这是因为大气湍流让光线发生了扭曲。在激光通信中，这种扭曲会导致信号严重衰减。传统矫正设备又大又慢，尤其在强湍流中几乎失效。这种“超薄智能镜片”——超表面，上面布满了比头发丝还细的纳米柱，能同时捕捉光线在不同“焦点”上的形态。再配合AI神经网络，不到3毫秒就能算出如何矫正扭曲的光波。使用该技术后，接收到的信号强度提升了16倍！这意味着未来无论是深空通信，还是地面激光雷达，都能在恶劣天气中保持高清、高速、高稳定运行。

文献链接

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

本文译自Nature。

来源：今日新材料

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