Nature Photonics：超表面光学破局自由空间光通信

耦自由空间光通信因其高带宽、高安全性与低部署成本成为下一代通信技术的重要方向，然而其性能受大气湍流影响严重。湍流导致激光波前畸变与光强闪烁，传统自适应光学系统中广泛使用的夏克-哈特曼波前传感器在强湍流下因无法处理分支点与闪烁问题而性能急剧下降。尽管相位多样性波前感知技术能有效应对这些挑战，但现有实现方案多依赖多相机、机械扫描或空间光调制器等复杂结构，导致系统笨重、延迟高，难以在实际场景中应用。因此，开发一种紧凑、低延迟且能在深湍流中稳定工作的波前传感器成为该领域亟待突破的关键技术瓶颈。

主体研究内容

研究团队设计并制备了一种双折射超表面，其单元结构由硅纳米柱阵列构成，通过调控不同偏振方向入射光的相位延迟，实现在单一探测平面上同时捕获八个具有不同离焦量的点扩散函数。每个超胞包含四个象限，分别对应不同的焦距，并结合正交偏振通道将成像通道数扩展至八个。该设计使得单次曝光即可获取传统方法需多次轴向扫描才能获得的相位多样性信息，从根本上消除了机械延迟与系统复杂度。

在算法层面，研究者构建了以U-Net为核心的波前重建模型，并创新性地采用“端到端”训练策略，以接收端“桶中功率”作为损失函数进行优化。该策略不直接追求相位预测的像素级精度，而是以最终光斑聚焦效果为目标，显著提升了模型在强湍流条件下的泛化能力与噪声鲁棒性。仿真与实验结果表明，该系统在Rytov数为0.2至0.6的湍流范围内，校正后信号强度平均提升16倍，且重建速度高达401.6帧/秒，具备实时处理能力。

研究团队进一步通过实验验证了该系统的实用性。他们利用空间光调制器生成大量闪烁波前，并利用制备的超表面与短波红外相机进行PSF采集。通过对预训练模型进行迁移学习，系统在真实噪声与装配误差环境下仍保持了优异的重建性能。长期曝光光斑对比显示，校正后光斑能量集中度显著提升，系统接近理想共轭相位校正的效果，为未来集成于实际光通信系统奠定了坚实基础。

图4 设备实物图以及呈现的效果。

核心创新点

本研究的核心突破在于将超表面作为波前编码器与U-Net重建算法深度融合，首次在单次曝光、无机械运动的紧凑系统中实现了深湍流下的高精度波前感知。超表面通过偏振与空间复用“折叠”了传统多平面成像的光路，从根本上解决了系统延迟与体积问题；而端到端训练策略使模型跳出“精确复原相位”的桎梏，直接以提升接收信号为目标，显著增强了系统的实用性与鲁棒性。该工作不仅打破了传统波前传感器在强湍流下的性能天花板，更展示了超表面与人工智能协同设计在解决复杂光学感知问题中的巨大潜力，为下一代自由空间激光系统的性能跨越提供了全新的技术路径。

原文链接：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