据中国激光杂志社网，于2023年12月19日报道，矢量偏振调制：单像素波前传感的助推剂。
自适应光学遇到的挑战
自适应光学（Adaptive Optics, AO）技术通过实时检测和补偿波前畸变，能够有效校正大气湍流等随机波前畸变对光束传播的影响，广泛应用于天文望远镜、光通信系统、激光雷达等领域。波前传感器是自适应光学系统的核心部件，其测量精度直接决定了后续的畸变补偿效果。其中，夏克-哈特曼波前传感器（Shack-Hartmann Wavefront Sensor, SHWFS）因结构简单、灵敏度高等优势已成为目前应用最广泛的波前传感器。但是，传统SHWFS受制于光电阵列探测器的工作机制，在光通量较低的暗弱探测环境中，暴露出信噪比低、动态范围受限等问题。同时，对于越来越迫切的非可见光波段需求，传统SHWFS也无法较好地完成波前传感任务。
单像素探测器蓬勃发展
单像素探测器（Single-pixel Detector, SD），又被称为点探测器、单元探测器或单通道探测器，是一种用于检测光强度的光电探测器。高性能SD（如光电倍增管、雪崩二极管、超导纳米线单光子探测器等）以其高增益、高灵敏度、宽谱响应的先天优势在极弱光、低信噪比成像领域获得了很多成功探索，并有望成为SHWFS中光电阵列探测器的替代方案，进而帮助自适应光学走出暗弱探测困境。但是，SD的优异性能以牺牲探测器空间分辨率为代价，其图像分辨率和成像速度往往不可兼得，这在一定程度上又阻碍了SD在AO系统中的应用。
矢量偏振调制赋能单像素波前传感
为解决上述问题，国防科技大学许晓军研究员课题组利用矢量偏振光场的连续性和对称性，实现了对入射波前信息的二维偏振编码和高效偏振解码。该方法跳过了单像素探测器并不擅长的成像环节，直接使用其优异的光强探测能力来实现稳定高效的波前重构。实验结果表明，该方法能够帮助传统波前传感器摆脱对阵列探测器的依赖，为自适应光学系统在暗弱场景中的应用提供了一个具有实用化价值的解决方案。相关工作发表在Chinese Optics Letters第21卷第9期（Wunan Li, Yu Cao, Yu Ning, Fengjie Xi, Quan Sun, Xiaojun Xu. Single-pixel wavefront sensing via vectorial polarization modulation[J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(9): 090008）被遴选为该期封面。
封面中左端的入射光依次通过了线偏振片、微透镜阵列和涡旋波片，其后完成矢量偏振编码的光斑进入单像素探测器中进行偏振质心解码，右端出射光为国防科技大学70周年校庆标识。
光斑偏振质心定位方法
经过矢量偏振编码后，不同空间位置的光斑携带有不同的偏振分布。由于不具备空间分辨率，单像素探测器在偏振解码过程中会自动根据光斑的尺寸、形状、光强分布等进行加权平均，得到描述偏振分布的两个维度——整体偏振角（OPA）和反向偏振度（RPD）。得益于周期性和对称性设计的矢量偏振光场，每个光斑都可以在极坐标系中找到唯一的一组偏振维度取值，即偏振质心位置坐标。
波前重构结果
该研究工作利用Kolmogorov湍流模型构建了30组随机相位屏，将它们作为待测波前畸变加载到液晶空间光调制器上，同时使用单像素探测器和阵列探测器进行波前探测。实验结果表明，该方法在复杂波前的测量和重建方面展现出了较好的可靠性和鲁棒性，其平均残余波前均方根误差为0.3009λ，仅占平均入射波前均方根误差的13.65%。
研究展望
研究人员表示，该方法是将矢量偏振调制引入波前传感领域，并和单像素探测器有机结合的初步探索，目前依然存在线偏振光入射、静态波前测量限制、部分相干场适用性等问题。未来将继续挖掘单像素探测器的性能优势，寻找更加高效的偏振调制模式，不断提高系统的波前探测精度和动态响应能力，进一步推进该方法的实用化进程。
科研团队介绍
国防科技大学高能激光技术研究所源自“哈**”原子工程系光辐射研究方向，由我国高能激光创始人赵伊君先生创建于上世纪80年代，主要从事高能激光相关的基础理论、关键技术和系统集成与试验研究，是我国高能激光技术自主创新与人才培养的高地，为国家培养了一大批优秀**科技创新人才。目前拥有一支由赵伊君院士、刘泽金院士为学术带头人的高水平教学科研团队，其中硕士生导师27人，博士生导师13人，师资力量雄厚。团队在激光与物质相互作用、高功率光纤激光及相干合成、非线性变频与超连续谱激光、自适应光学与强光光束控制等方面处于国际先进水平，先后获国家科技进步一等奖2项、二等奖4项，国家技术发明二等奖1项，军队/部委级科技进步一等奖12项。
作者介绍
许晓军，国防科技大学前沿交叉学科学院总工程师，博士生导师，南湖之光重点实验室副主任，国家重点研发计划重点专项专家组组长。从事先进激光和光束控制技术研究，任多个项目总设计师。研究成果获国家科技进步一等奖1项，湖南省自然科学一等奖1项。发表SCI论文100余篇，授权国家发明专利58项。先后得到教育部新世纪优秀人才、军队高层次科技创新领军人才和**科技卓越青年人才等计划支持，获评全军科研工作先进个人。
李武男，国防科技大学前沿交叉学科学院博士，研究方向为强光自适应光学与光束控制，发表SCI、EI论文8篇，授权国家发明专利6项。
参考文献：
[1] Lee J H, Shin S, Park G N, et al. Atmospheric turbulence simulator for adaptive optics evaluation on an optical test bench[J]. Current Optics and Photonics, 2017, 1(2): 107-112.
[2] Cox M A, Toninelli E, Cheng L, et al. A high-speed, wavelength invariant, single-pixel wavefront sensor with a digital micromirror device[J]. IEEE Access, 2019, 7: 85860-85866.
