科学家通过点优化实现光学相控阵校准
发布时间：2023-07-27 08:00:00 阅读数： 205
OPA 相位校准系统设置图。资料来源：Light： 先进制造（2023）。DOI: 10.37188/lam.2023.010
光学相控阵（OPA）是一种非机械式光束转向控制装置，具有高指向性和高偏转效率。由于其分辨率高、响应速度快、无惯性，OPA 被广泛应用于激光雷达、自由空间光通信、多波束成形等许多领域。
受制造水平的限制，结构误差的积累会降低偏转梁的质量。此外，制造因素引起的随机相位噪声会导致角度偏差和低能效。
研究人员对远场分布进行了优化，以提高 OPA 在光束转向、聚焦和能效方面的性能。波阵面的相位分布是通过相位传感器或相位恢复算法获取的。然而，构建一个用于光路调整和光场采集的复杂系统具有挑战性。
在发表于《Light： 先进制造》（Light: Advanced Manufacturing）上发表的一篇新论文中，北京航空航天大学孙明杰教授领导的科学家团队从理论和实验两方面证明了一种相位校准光学系统。
最近，基于自适应光学的相位校准方法成为 OPA 相关研究的焦点。这种方法不再需要相位检测和波前重建，而是直接优化每个元件的电压，以获得最佳光束偏转效率。这类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。
常用的方法是采用随机并行梯度下降算法（SPGD）来优化波阵面的形状，这种方法可以提高多通道处理的性能，并减少目标函数的约束。然而，当阵列元素数量增加时，由于优化的非凸特性，优化很容易陷入局部最小值，评估函数的收敛速度也会明显降低。
为解决这一问题，研究团队提出了一种替代方法，用于快速、准确地对 OPA 进行光束偏转。这种方法使用精心设计的机械装置，对每个阵列元件单独进行相位校准。随后，基于这种方法，OPA 的远场衍射效率稳步提高，并以线性和确定性的方式获得了理论极限。
数值模拟和实验结果表明，与典型的 SPGD 算法相比，所提出的点式优化方法收敛率提高了 53.5%，而耗时却减少了 9.7%。这表明，点式优化方法在计算过程的不同部分结合了全局搜索和精确校准的特点，从而减少了迭代次数，提高了收敛速度。
所提出的仿真和实验结果表明，点式校准方法实现了快速、精确的相位校准。借助精心设计的力学原理，点校准方法实现了不同元素的选择。它是一种提高 OPA 衍射效率的确定性方法。它结合了全局搜索和精确校准的特点，大大减少了迭代次数。相位校准过程中的适当划分也降低了计算成本。
与典型的自适应光学方法相比，所提出的点式校准方法仍然表现出优异的收敛速率和能效性能。点式校准方法的实验结果与仿真数据更为接近，这表明了它在鲁棒性方面的优势。
总之，点式优化方法在改进光束转向和聚焦方面是高效可靠的。所提出的方法采用点校正和分段校正过程，可进行快速、确定性的相位校正，具有潜在的成本效益和高性能 OPA。这种方法已在自动驾驶汽车和激光雷达中显示出实用价值。
参考资料
Jingwen Shan et al, Fast and deterministic optical phased array calibration via pointwise optimisation, Light: Advanced Manufacturing (2023). DOI: 10.37188/lam.2023.010
原文链接
https://phys.org/news/2023-07-scientists-optical-phased-array-calibration.html
