清華新聞網(wǎng)7月5日電 17世紀初，人類開始將觀測儀器指向遙遠的宇宙，希望捕獲穿越千年的光子，接收遙遠星河傳來的訊息。然而，大氣湍流猶如漂浮在空中的透明幽靈，干擾著光子的前進，遮掩宇宙初期的秘密。1964年，美國物理學(xué)家理查德·費曼（Richard Feynman）指出，“湍流是經(jīng)典物理學(xué)中最重要的未解決問題之一”。大氣湍流這一高度混沌系統(tǒng)，是湍流中最難以被捕獲的存在之一，其運動模式具有極強的隨機性，難以精確建模、探測和預(yù)測。
清華大學(xué)電子工程系方璐團隊與自動化系戴瓊海院士、吳嘉敏副教授團隊開展交叉合作，提出了計算光場新原理，建立數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)模型，研制了廣域波前計算傳感芯片（Wide-field WavefrontSensor, WISE），實現(xiàn)了超1100角秒（對角線）范圍的大氣湍流實時探測和預(yù)測。該成像技術(shù)具備大視場、高分辨、強魯棒等優(yōu)勢，感知范圍相比廣泛使用的夏克-哈特曼波前傳感器提升了近千倍。WISE芯片的探測視場等價于成百上千個波前傳感器的總和，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)，賦能大氣湍流的廣域探測和預(yù)測，修正大氣湍流擾動，實現(xiàn)大范圍光信號的高效采集與精準重建。
大氣湍流廣域波前傳感芯片概念圖（來源：《自然·光子學(xué)》）
課題組深入探究大氣湍流的物理本質(zhì)，其對于光子的操縱來自于非均勻折射率帶來的傳播角度偏折。因此，空間-角度四維光場的高精度采集與重構(gòu)可以揭示高維角度域中隱藏的湍流信息，進而打破廣域大氣湍流觀測壁壘。相比傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)采用的夏克-哈特曼波前傳感器，WISE能夠捕獲更大視場范圍內(nèi)的空間非一致湍流信息，此優(yōu)勢是由系統(tǒng)架構(gòu)決定的。自適應(yīng)光學(xué)的夏克-哈特曼波前傳感器在共軛光瞳平面上實現(xiàn)直接孔徑分割，其空間采樣受限，只能探測一定視場范圍內(nèi)的平均波前。WISE則采用間接孔徑分割方案，配置分布式微型透鏡陣列，每個微透鏡從不同的視場方向記錄入射光子角度的信息，從而有效地最小化串?dāng)_，捕獲更大視場范圍內(nèi)的空間非一致湍流信息。
基于WISE芯片的大氣湍流觀測系統(tǒng)示意圖（來源：《自然·光子學(xué)》）
WISE助力高精度湍流預(yù)測在光信號的單向傳播中，精確的湍流探測足以消除誤差，然而在雙向交互中，湍流的快速演變帶來了新的挑戰(zhàn)。典型的交互過程例如空間光通信，由下行探測鏈路和上行補償鏈路構(gòu)成，由于兩鏈路間存在時間差，無法直接根據(jù)探測結(jié)果進行補償，而是需要預(yù)測未來時刻的湍流分布再進行補償，即預(yù)補償。此時，湍流預(yù)測的精度顯得至關(guān)重要。視頻（上）展示的是湍流分布的動態(tài)演化過程，由小視場范圍的空間一致湍流變?yōu)閺V域的空間非一致湍流。當(dāng)我們僅觀察小視場范圍的湍流時，難以找到其時序演變規(guī)律，這正是基于傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)進行湍流預(yù)測的困難之處。當(dāng)視場擴大時，湍流的演化規(guī)律變得有跡可循。如泰勒凍結(jié)流假說所述，大范圍的觀測數(shù)據(jù)中，可以清晰地觀測到大氣湍流的整體流動，這將對實現(xiàn)湍流的精準預(yù)測提供強力的支撐。基于WISE芯片和時-空神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，團隊實現(xiàn)了大視場范圍下高精度的湍流預(yù)測（視頻下），預(yù)測的波前誤差從224nm降至109nm（所用指標為RMSE），相較于傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)有明顯提升。WISE芯片為大氣湍流時空動態(tài)演化規(guī)律的研究探索了新路徑。
（上）湍流分布演變，由小視場空間一致湍流變?yōu)閺V域空間非一致湍流；（下）基于WISE芯片的大氣湍流波前預(yù)測效果（來源：《自然·光子學(xué)》）
從掃描光場元成像到WISE芯片，光子幽靈變得不再神秘，望遠鏡的視野能夠穿透大氣。團隊在計算成像領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新，以計算賦能天文，開啟計算天文成像新篇章。當(dāng)視場無限，視野也將無垠。未來，團隊將進一步發(fā)揮元成像廣域波前傳感的優(yōu)勢，助力新一代寬視場高分辨地基光學(xué)巡天，凌云遠望，目窮千里。
相關(guān)研究成果以“基于廣域波前傳感芯片的大氣湍流實時觀測”（Direct Observation of Atmospheric Turbulence with a Video-rate Wide-field Wavefront Sensor）為題，于7月1日發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）。
清華大學(xué)電子工程系與國研中心為論文的第一單位，方璐、戴瓊海、吳嘉敏為論文通訊作者，2021級電子系博士生郭鈺鐸、2021級自動化系本科生郝鈺涵、自動化系助理研究員萬森為論文第一作者，博士后張昊，助理研究員朱來余參與該工作。研究得到科技部2030重大項目、基礎(chǔ)科學(xué)中心項目以及北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41566-024-01466-3
供稿：電子系
編輯：李華山
審核：郭玲
