据中国激光杂志社网，于2023年12月26日报道，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。
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，并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。
