光在大氣中傳播時(shí)，受大氣折射率變化的影響，其波前會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)畸變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致其經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成的像斑出現(xiàn)模糊、抖動(dòng)的現(xiàn)象。因此，暴露在大氣中的光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際分辨率難以達(dá)到、甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其光學(xué)分辨率。對(duì)于這種情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)地波前校正是提升該光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際分辨率的關(guān)鍵。

目前的波前校正技術(shù)從目標(biāo)上可以分為兩種：以波前補(bǔ)償為目標(biāo)的傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)和以提升像面清晰度為目標(biāo)的無(wú)波前傳感自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，前者為實(shí)時(shí)檢測(cè)校正，但硬件復(fù)雜高，技術(shù)難度大，后者的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但校正帶寬不足，通常難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校正。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所崔向群院士團(tuán)隊(duì)提出了一種基于衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的、全光學(xué)的波前校正系統(tǒng)——衍射自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)（Diffractive Adaptive Optics System，DAOS），如圖1所示，或能實(shí)現(xiàn)對(duì)波前誤差在某區(qū)間內(nèi)的畸變波前的光速校正。

圖1：衍射自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的概念圖

該系統(tǒng)僅由多層順序排列的衍射板組成，被放置于像面之前，通過(guò)所有衍射單元的協(xié)作來(lái)完成對(duì)匯聚光束的波前校正。不同厚度的衍射單元為其透射光引入不同的相位調(diào)制，而所有衍射單元的厚度都是事先在電腦上，針對(duì)大量的、波前誤差在某區(qū)間內(nèi)呈正態(tài)分布的畸變波前，采用深度學(xué)習(xí)的方法訓(xùn)練得到。訓(xùn)練結(jié)束后，通過(guò)3D打印、激光直寫或者半導(dǎo)體刻蝕等工藝將衍射板制作并組裝成型，該系統(tǒng)就能對(duì)訓(xùn)練區(qū)間內(nèi)的畸變波前實(shí)現(xiàn)光速的波前校正。目前，衍射自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的概念已經(jīng)得到模擬驗(yàn)證。

圖2顯示了深度學(xué)習(xí)輸入的波前訓(xùn)練集和測(cè)試集。

圖2：（A）數(shù)據(jù)集中波前的波前誤差和數(shù)量分布；（B）各視場(chǎng)的畸變波前的生成方法示意圖

圖3顯示了針對(duì)工作波長(zhǎng)0.55 μm、60 cm口徑、焦比45的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的衍射自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的6個(gè)衍射層。

圖3：針對(duì)工作波長(zhǎng)0.55 μm、60 cm口徑、焦比45的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的，可以同時(shí)校正0.0”、0.231”視場(chǎng)的衍射自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的6個(gè)衍射層

模擬表明，該系統(tǒng)能很好的改善大氣湍流造成的像質(zhì)下降，見圖4，圖5。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證正在籌備中。

圖4：0.0”和0.231”視場(chǎng)的單星模擬成像

圖5：近鄰雙星（分別位于0.0”和0.231”視場(chǎng)）模擬成像

相關(guān)研究成果已發(fā)表在2023年第2期的《Optics Express》上。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（12073053,12173063）與江蘇省自然科學(xué)基金（BK20221156）的資助。

論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1364/OE.478492

審核編輯 ：李倩