通过超表面光学技术在深湍流中实现单次发射的相位多样性波前传感

《Nature Photonics》：Single-shot phase diversity wavefront sensing in deep turbulence via metasurface optics

纳米结构双折射超表面实现低延迟紧凑相位多样性波前传感，提升自由空间光通信湍流环境性能

　　

摘要

自由空间光通信系统能够提供高带宽、安全的通信服务，并且初始投资成本较低。通常会在这些系统中加入自适应光学技术以减少大气信道损耗；然而，在长距离、强湍流条件下，传统自适应光学波前传感器的性能会下降。使用相位多样性的替代波前传感器可以在强湍流环境中成功重建波前，但目前的实现方式需要体积庞大的设备且延迟较高。在这里，我们采用了一种纳米结构双折射超表面光学器件，实现了低延迟的相位多样性波前检测，且该器件体积小巧。通过仿真和实验验证，我们证明了这种方法在中等到强湍流条件（Rytov 数值介于 0.2 到 0.6 之间）下的有效性。在两种情况下，经过校正后的光束信号强度平均提升了 16 倍。此外，我们还展示了该技术的其他优势，如抗噪能力和高分辨率下的复杂场重建能力。我们的方法为开发紧凑、可靠的波前检测技术提供了新途径，从而提升了自由空间光通信系统的通信距离和精度。