光學(xué)相控陣（OPA）是一種具有高方向性和偏轉(zhuǎn)效率的非機械光束控制裝置。由于具有高分辨率、快速響應(yīng)和無慣性等特點，OPA廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)、自由空間光通信、多波束形成等領(lǐng)域。受制造水平的限制，結(jié)構(gòu)誤差的累積對偏轉(zhuǎn)梁的質(zhì)量進(jìn)行了分級。此外，制造因素引起的隨機相位噪聲會導(dǎo)致角度偏差和低能效。

研究優(yōu)化了遠(yuǎn)場分布，以提高OPA在波束控制、聚焦和能源效率方面的性能。 使用相位傳感器或相位恢復(fù)算法可獲取波前的相位分布。然而，構(gòu)建復(fù)雜的光路調(diào)整和光場采集系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)。

據(jù)外媒報道，北京航空航天大學(xué)（Beihang University）孫鳴捷教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團隊從理論上和實驗上證明了相位校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)，相關(guān)論文已發(fā)表于期刊《Light: Advanced Manufacturing》。

圖片來源：期刊《Light: Advanced Manufacturing》

最近，基于自適應(yīng)光學(xué)的相位校準(zhǔn)方法已成為OPA相關(guān)研究的焦點。該方法不再需要相位檢測和波前重建，直接優(yōu)化每個元件的電壓以獲得最佳的光束偏轉(zhuǎn)效率。這種自適應(yīng)優(yōu)化方法包括模擬退火算法、遺傳算法和快速搜索算法，并且實驗設(shè)置和計算簡單。

常用的方法是應(yīng)用隨機并行梯度下降（SPGD）算法來優(yōu)化波前形狀，從而提高多通道處理的性能并減少對目標(biāo)函數(shù)的約束。然而，當(dāng)數(shù)組元素數(shù)量增加時，由于優(yōu)化的非凸性質(zhì)，優(yōu)化很容易陷入局部極小值，評估函數(shù)的收斂速度顯著下降。

為了解決這一問題，研究團隊提出替代方法來對OPA進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的光束偏轉(zhuǎn)。這種方法使用精心設(shè)計的機制對每個陣列元件單獨進(jìn)行相位校準(zhǔn)。隨后，基于該方法，OPA的遠(yuǎn)場衍射效率穩(wěn)步提高，并且線性且確定性地獲得了理論極限。

數(shù)值模擬和實驗結(jié)果表明，與典型的SPGD算法相比，新提出的逐點優(yōu)化方法將收斂速度提高了53.5%，同時將時間消耗降低了9.7%。這表明逐點優(yōu)化方法結(jié)合了計算過程中不同部分的全局搜索和精確標(biāo)定的特點，從而減少了迭代次數(shù)，提高了收斂速度。

所提出的仿真和實驗結(jié)果表明，逐點校準(zhǔn)方法實現(xiàn)了快速、精確的相位校準(zhǔn)。借助精心設(shè)計的機制，該逐點校準(zhǔn)方法實現(xiàn)了不同元素的選擇。該方法是一種提高OPA衍射效率的確定性方法，結(jié)合了全局搜索和精確標(biāo)定的特點，顯著減少了迭代次數(shù)。此外，其相位校準(zhǔn)過程中的適當(dāng)劃分也降低了計算成本。

與典型的自適應(yīng)光學(xué)方法相比，所提出的逐點校準(zhǔn)方法仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的收斂速度和能效性能。逐點校準(zhǔn)方法的實驗結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)更加接近，表明了其魯棒性的優(yōu)勢。

總之，逐點優(yōu)化方法對于改善光束轉(zhuǎn)向和聚焦有效且可靠。該方法使用逐點和分段校正過程執(zhí)行快速且確定性的相位校準(zhǔn)，可能是具有成本效益和高性能的OPA。這種方法已在自動駕駛汽車和激光雷達(dá)中顯示出實用價值。