科學(xué)家通過逐點(diǎn)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)光學(xué)相控陣校準(zhǔn)

光學(xué)相控陣(OPA)是一種具有高指向性和偏轉(zhuǎn)效率的非機(jī)械波束控制裝置。由于其高分辨率、響應(yīng)速度快、無慣性等優(yōu)點(diǎn)，在激光雷達(dá)、自由空間光通信、多波束形成等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

受制造水平的限制，結(jié)構(gòu)誤差的累積會(huì)降低撓曲梁的質(zhì)量。此外，由于制造因素引起的隨機(jī)相位噪聲導(dǎo)致了器件的角偏差和低能效。

研究人員對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)分布進(jìn)行了優(yōu)化，以提高OPA在光束導(dǎo)向、聚焦和能效方面的性能。采用相位傳感器或相位恢復(fù)算法獲取波前的相位分布。然而，構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜的光路調(diào)整和光場(chǎng)采集系統(tǒng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在《光：先進(jìn)制造》雜志上發(fā)表的一篇新論文中，由北京航空航天大學(xué)孫鳴捷教授領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家從理論上和實(shí)驗(yàn)上證明了一種相位校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)。

OPA相位校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)置圖

近年來，基于自適應(yīng)光學(xué)的相位校準(zhǔn)方法已成為OPA相關(guān)研究的熱點(diǎn)。該方法不再需要對(duì)波前進(jìn)行相位檢測(cè)和重構(gòu)，直接對(duì)各元件的電壓進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得的波束偏轉(zhuǎn)效率。這些自適應(yīng)優(yōu)化方法包括模擬退火算法、遺傳算法和快速搜索算法，實(shí)驗(yàn)設(shè)置和計(jì)算簡(jiǎn)單。

常用的方法采用隨機(jī)并行梯度下降(SPGD)算法對(duì)波前形狀進(jìn)行優(yōu)化，提高了多通道處理的性能，減少了對(duì)目標(biāo)函數(shù)的約束。然而，當(dāng)陣列元素?cái)?shù)量增加時(shí)，由于優(yōu)化的非凸性，優(yōu)化很容易陷入局部極小值，評(píng)價(jià)函數(shù)的收斂速度明顯降低。

為了解決這個(gè)問題，研究小組提出了一種替代方法來實(shí)現(xiàn)OPA的快速準(zhǔn)確的光束偏轉(zhuǎn)。這種方法使用精心設(shè)計(jì)的力學(xué)原理對(duì)每個(gè)陣列元件單獨(dú)進(jìn)行相位校準(zhǔn)。隨后，基于該方法，OPA遠(yuǎn)場(chǎng)衍射效率穩(wěn)步提高，并線性確定地得到了理論極限。

數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與典型的SPGD算法相比，提出的逐點(diǎn)優(yōu)化方法的收斂速度提高了53.5%，時(shí)間消耗減少了9.7%。結(jié)果表明，點(diǎn)向優(yōu)化方法結(jié)合了全局搜索和精確標(biāo)定的特點(diǎn)，減少了迭代次數(shù)，提高了收斂速度。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速、精確的相位標(biāo)定。借助精心設(shè)計(jì)的力學(xué)原理，點(diǎn)式標(biāo)定方法實(shí)現(xiàn)了不同元件的選擇。這是一種提高OPA衍射效率的確定性方法。它結(jié)合了全局搜索和精確標(biāo)定的特點(diǎn)，大大減少了迭代次數(shù)。在相位校準(zhǔn)過程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆指钜步档土擞?jì)算成本。

與典型的自適應(yīng)光學(xué)方法相比，所提出的點(diǎn)向校準(zhǔn)方法仍然具有良好的收斂速度和節(jié)能性能。該方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)更為接近，具有較好的魯棒性。

綜上所述，點(diǎn)向優(yōu)化方法在改善光束轉(zhuǎn)向和聚焦方面是有效和可靠的。所提出的方法使用逐點(diǎn)和分段校正過程進(jìn)行快速和確定的相位校準(zhǔn)，這可能是一種具有潛在成本效益和高性能的OPA。這種方法已經(jīng)在自動(dòng)駕駛汽車和激光雷達(dá)中顯示出實(shí)用價(jià)值。

審核編輯 黃宇