光在大氣中傳播時，受大氣折射率變化的影響，其波前會產生動態畸變，嚴重時會導致其經光學系統所成的像斑出現模糊、抖動的現象。因此，暴露在大氣中的光學系統的實際分辨率難以達到、甚至遠遠低于其光學分辨率。對于這種情況，進行實時地波前校正是提升該光學系統的實際分辨率的關鍵。

目前的波前校正技術從目標上可以分為兩種：以波前補償為目標的傳統自適應光學技術和以提升像面清晰度為目標的無波前傳感自適應光學技術，前者為實時檢測校正，但硬件復雜高，技術難度大，后者的結構相對簡單，但校正帶寬不足，通常難以實現實時校正。

針對這個問題，中國科學院南京天文光學技術研究所崔向群院士團隊提出了一種基于衍射神經網絡的、全光學的波前校正系統——衍射自適應光學系統（Diffractive Adaptive Optics System，DAOS），如圖1所示，或能實現對波前誤差在某區間內的畸變波前的光速校正。

圖1：衍射自適應光學系統的概念圖

該系統僅由多層順序排列的衍射板組成，被放置于像面之前，通過所有衍射單元的協作來完成對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制，而所有衍射單元的厚度都是事先在電腦上，針對大量的、波前誤差在某區間內呈正態分布的畸變波前，采用深度學習的方法訓練得到。訓練結束后，通過3D打印、激光直寫或者半導體刻蝕等工藝將衍射板制作并組裝成型，該系統就能對訓練區間內的畸變波前實現光速的波前校正。目前，衍射自適應光學系統的概念已經得到模擬驗證。

圖2顯示了深度學習輸入的波前訓練集和測試集。

圖2：（A）數據集中波前的波前誤差和數量分布；（B）各視場的畸變波前的生成方法示意圖

圖3顯示了針對工作波長0.55 μm、60 cm口徑、焦比45的望遠鏡設計的衍射自適應光學系統的6個衍射層。

圖3：針對工作波長0.55 μm、60 cm口徑、焦比45的望遠鏡設計的，可以同時校正0.0”、0.231”視場的衍射自適應光學系統的6個衍射層

模擬表明，該系統能很好的改善大氣湍流造成的像質下降，見圖4，圖5。相關的實驗驗證正在籌備中。

圖4：0.0”和0.231”視場的單星模擬成像

圖5：近鄰雙星（分別位于0.0”和0.231”視場）模擬成像

相關研究成果已發表在2023年第2期的《Optics Express》上。該項研究得到國家自然科學基金（12073053,12173063）與江蘇省自然科學基金（BK20221156）的資助。

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

審核編輯 ：李倩