科学家通过逐点优化实现光学相控阵校准

光学相控阵(OPA)是一种具有高指向性和偏转效率的非机械波束控制装置。由于其高分辨率、响应速度快、无惯性等优点，在激光雷达、自由空间光通信、多波束形成等领域得到了广泛的应用。

受制造水平的限制，结构误差的累积会降低挠曲梁的质量。此外，由于制造因素引起的随机相位噪声导致了器件的角偏差和低能效。

研究人员对远场分布进行了优化，以提高OPA在光束导向、聚焦和能效方面的性能。采用相位传感器或相位恢复算法获取波前的相位分布。然而，构建一个复杂的光路调整和光场采集系统是一个挑战。

在《光：先进制造》杂志上发表的一篇新论文中，由北京航空航天大学孙鸣捷教授领导的一组科学家从理论上和实验上证明了一种相位校准光学系统。

OPA相位校准系统设置图

近年来，基于自适应光学的相位校准方法已成为OPA相关研究的热点。该方法不再需要对波前进行相位检测和重构，直接对各元件的电压进行优化，从而获得的波束偏转效率。这些自适应优化方法包括模拟退火算法、遗传算法和快速搜索算法，实验设置和计算简单。

常用的方法采用随机并行梯度下降(SPGD)算法对波前形状进行优化，提高了多通道处理的性能，减少了对目标函数的约束。然而，当阵列元素数量增加时，由于优化的非凸性，优化很容易陷入局部极小值，评价函数的收敛速度明显降低。

为了解决这个问题，研究小组提出了一种替代方法来实现OPA的快速准确的光束偏转。这种方法使用精心设计的力学原理对每个阵列元件单独进行相位校准。随后，基于该方法，OPA远场衍射效率稳步提高，并线性确定地得到了理论极限。

数值模拟和实验结果表明，与典型的SPGD算法相比，提出的逐点优化方法的收敛速度提高了53.5%，时间消耗减少了9.7%。结果表明，点向优化方法结合了全局搜索和精确标定的特点，减少了迭代次数，提高了收敛速度。

仿真和实验结果表明，该方法能够实现快速、精确的相位标定。借助精心设计的力学原理，点式标定方法实现了不同元件的选择。这是一种提高OPA衍射效率的确定性方法。它结合了全局搜索和精确标定的特点，大大减少了迭代次数。在相位校准过程中进行适当的分割也降低了计算成本。

与典型的自适应光学方法相比，所提出的点向校准方法仍然具有良好的收敛速度和节能性能。该方法的实验结果与仿真数据更为接近，具有较好的鲁棒性。

综上所述，点向优化方法在改善光束转向和聚焦方面是有效和可靠的。所提出的方法使用逐点和分段校正过程进行快速和确定的相位校准，这可能是一种具有潜在成本效益和高性能的OPA。这种方法已经在自动驾驶汽车和激光雷达中显示出实用价值。

审核编辑 黄宇