Chip & Dale的洛杉磯留學生活

在UCLA ECE的PhD第二年，經過漫長的審稿環節，我發表了人生中的第一篇Nature小子刊：Nature Communications！(All-optical phase conjugation using diffractive wavefront processing) 以下分享這篇研究的技術以及潛在應用，希望對熱愛科學與科技的朋友們有所啟發~

這篇研究在影像和光通訊領域帶來了一項革命性的技術。我們開發了一種全光學相位共軛（OPC）方法，使用繞射元件進行波前處理。這項新技術在多波長修正光學失真方面提供了前所未有的能力，可能對各個領域產生重大影響。

光學相位共軛的新紀元

傳統的光學相位共軛方法包括模擬和數字技術，長期以來已被用於醫學成像和激光聚焦等應用中修正波前失真。然而，這些方法通常存在諸如能源效率低、譜帶操作窄、系統複雜性高以及響應時間慢等限制。

我們開發的新全光學相位共軛方法通過使用深度學習優化一組由數個繞射表面組成的被動元件，克服了這些挑戰，可以處理扭曲的光波並在多個波長全光學生成與輸入相位共軛的光波。這種方法不僅更快、更節能，而且比現有技術更為緊湊和可擴展，涵蓋不同光譜帶的應用。

如何運作

這種創新的OPC框架建立在深度學習優化的繞射光學結構上。這些結構的功能在於對具有未知相位失真的光學場進行相位共軛。通過讓光線穿過一系列3D打印的繞射層，系統可以將多波長的扭曲波前變換為共軛波前，無需數字計算或主動調制即可實現光速操作。

我們團隊使用太赫茲（THz）輻射展示了系統的功效。他們製造了一個三層繞射OPC處理器，成功糾正了在模型訓練期間從未遇到過的光學失真。這種實驗驗證證實了系統有效處理現實世界光學失真的能力。

應用與影響

這一光學相位共軛技術的突破對於各個領域具有深遠的影響：

• 醫學成像：該技術可以改善通過混濁介質（如生物組織）獲得的圖像質量，從而有助於更好的診斷和治療。
• 光通訊：通過增強大氣或水下通道傳輸的信號清晰度，這項技術可以提高光通訊系統的效率和可靠性。
• 激光系統：實時糾正激光束失真的能力可以促進精密製造、材料加工和科學研究的進步。
• 天文學：該技術可助於糾正望遠鏡觀測中的大氣失真，從而獲得更清晰、更詳細的天體影像。

未來前景

這種全光學OPC技術的多功能性和堅固性使其成為廣泛應用的有力候選者。我們研究團隊目前正在探索將此技術擴展到不同的光譜帶，包括可見光和紅外線。這將在環境監測、安全等領域開啟新的可能性。

參考資料：

All-optical phase conjugation using diffractive wavefront processing. 2024/6/11

All-optical machine learning using diffractive deep neural networks. Science，2018/7/26