17世紀(jì)初，人類開始將觀測(cè)儀器指向遙遠(yuǎn)的宇宙，希望捕獲穿越千年的光子，接收遙遠(yuǎn)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(jìn)，遮掩宇宙初期的秘密。1964年，美國(guó)物理學(xué)家理查德·費(fèi)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(yùn)動(dòng)模式具有極強(qiáng)的隨機(jī)性，難以精確建模、探測(cè)和預(yù)測(cè)。

清華大學(xué)電子工程系方璐團(tuán)隊(duì)與自動(dòng)化系戴瓊海院士、吳嘉敏副教授團(tuán)隊(duì)開展交叉合作，提出了計(jì)算光場(chǎng)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(jì)算傳感芯片（Wide-field WavefrontSensor, WISE），實(shí)現(xiàn)了超1100角秒（對(duì)角線）范圍的大氣湍流實(shí)時(shí)探測(cè)和預(yù)測(cè)。該成像技術(shù)具備大視場(chǎng)、高分辨、強(qiáng)魯棒等優(yōu)勢(shì)，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(cè)視場(chǎng)等價(jià)于成百上千個(gè)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(cè)和預(yù)測(cè)，修正大氣湍流擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大范圍光信號(hào)的高效采集與精準(zhǔn)重建。

大氣湍流廣域波前傳感芯片概念圖

課題組深入探究大氣湍流的物理本質(zhì)，其對(duì)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(chǎng)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(jìn)而打破廣域大氣湍流觀測(cè)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(chǎng)范圍內(nèi)的空間非一致湍流信息，此優(yōu)勢(shì)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(shí)現(xiàn)直接孔徑分割，其空間采樣受限，只能探測(cè)一定視場(chǎng)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(gè)微透鏡從不同的視場(chǎng)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(chǎng)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(cè)系統(tǒng)示意圖