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🔥 内容介绍
自适应光学 (AO) 技术通过反馈机制矫正光波前的相位畸变，已广泛应用于各种光学系统，其应用规模涵盖从天文望远镜到超分辨显微镜等多个领域。本文将这一强大的工具拓展到矢量领域，实现对偏振和相位的高维反馈矫正，我们称之为矢量自适应光学 (V-AO)。我们将展示V-AO可以通过传感器反馈、无传感器AO间接实现，或通过结合两者优势的混合方式实现。通过矫正从物镜到生物样品等常见的矢量像差源，我们验证了V-AO在矢量场状态和光学系统焦斑质量方面的改进。这项技术通过提供额外的矢量自由度反馈控制，突破了传统标量波束整形技术的局限性，为下一代AO功能——操控复杂的矢量场——铺平了道路。
自适应光学技术的核心在于实时检测和矫正光波前的畸变。传统AO系统主要关注相位畸变的矫正，通过变形镜等可控元件调整光波前，以补偿大气湍流、光学元件缺陷等引起的相位误差。这种标量AO技术在天文观测和激光通信等领域取得了显著的成功，极大地提高了成像质量和系统效率。然而，光波并非仅仅由标量相位决定，其偏振态也是影响光场分布的重要因素。忽略偏振信息会导致对光场完整性的不完全表征，限制了光学系统的性能提升，尤其是在高分辨成像、光学操控以及量子信息处理等领域。
矢量自适应光学 (V-AO) 正是为了解决这一问题而提出的。它将自适应光学的概念拓展到矢量场，同时考虑光波的偏振态和相位信息。V-AO系统通常包含以下关键部件：矢量场探测器，用于精确测量光波的偏振态和相位；矢量场调制器，例如空间光调制器 (SLM) 或液晶偏振器，用于对光波的偏振态和相位进行实时调整；反馈控制系统，根据探测到的矢量场误差，实时调整调制器的状态，以实现对矢量场的精确控制。
V-AO的实现途径多种多样。传感器反馈型V-AO直接利用矢量场探测器测量光波的矢量场信息，并将其作为反馈信号，驱动矢量场调制器进行矫正。这种方法具有精度高、响应速度快的优点，但对探测器的性能要求较高，成本也相对较高。无传感器AO则利用算法对光场的矢量特性进行预测和估计，无需直接测量，从而降低了系统复杂性和成本。这种方法的精度通常低于传感器反馈型V-AO，但其在一些应用场景中具有独特的优势，例如在对探测器灵敏度要求极高的场合。混合型V-AO则结合了传感器反馈和无传感器AO的优点，部分依赖传感器反馈进行高精度矫正，部分依赖算法进行快速预估，以达到最佳的性能平衡。
我们通过实验验证了V-AO在矫正常见矢量像差方面的有效性。例如，物镜本身的偏振像差和生物样品引起的散射，都会导致光波的偏振态和相位发生畸变。V-AO系统能够有效地补偿这些像差，从而提高成像质量和光学系统的焦斑质量。实验结果表明，V-AO能够显著改善矢量场的一致性和焦斑的集中度，这在超分辨显微镜、光学镊子以及其他需要高精度光场操控的应用中具有重要的意义。
总而言之，矢量自适应光学技术代表着自适应光学领域的一次重大突破。它突破了传统标量AO的局限，能够对光场的矢量特性进行精确控制，为下一代光学系统的设计和应用提供了新的可能性。V-AO技术的成熟应用将极大地推动高分辨成像、光学操控、量子信息处理等领域的快速发展，并为我们探索微观世界和宇宙奥秘提供更强大的工具。未来研究将集中在提高V-AO系统的效率、精度和稳定性，以及探索其在更多领域的应用，例如光学显微成像、自由空间光通信和量子计算等。
⛳️ 运行结果
🔗 参考文献
[1] He, Chao, Jacopo Antonello, and Martin J. Booth. "Vectorial adaptive optics." arXiv preprint arXiv:2110.02606 (2021).
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