JPhys Photonics编辑优选：一种抗湍流传输的稳定结构光束
文章介绍
Yiqian Yang（杨怡谦）, Xingwang Kang and Liangcai Cao（曹良才）
通讯作者：
- 曹良才，清华大学精密仪器系
研究背景：
当光束在湍流介质中传输时，介质折射率的变化会引入像差，从而显著影响光束特性并降低信号传输与成像质量。如何实现稳定传播的结构光束，是抗湍流技术领域的一个重要挑战。当前，具有特殊设计结构的透镜制造成本高且缺乏动态调制特性，在工程中衍射光学器件的应用范围相对受限。本研究通过相位型空间光调制器实现了对光场的任意调制，基于横向波矢干涉相消机理设计了一种新型结构光束STOB。该结构光束采用动态的相位分布，能够将相位光束的焦深提高26倍，同时将光束的抗湍流性能提高4.7%，这一创新方法为克服湍流效应提供了新的途径，并在实现稳定传播的结构光束方面取得了显著进展。
研究内容：
本研究基于横向波矢干涉消除机理，解决了多环结构光束STOB的动态产生问题，实现了光束抗湍流性能的提升。采用空间光调制器对STOB进行动态调制，突破了光束传播距离的限制，为光束在长距离湍流介质中的传播提供了新的解决方案。相较于传统的高斯光束，STOB具有许多优势。在强湍流介质中，STOB展现出更高的峰值强度和更好的鲁棒性能，同时具有焦深扩展和实时动态调控等特点。如图1所示，从Ring 1到Ring 6的干涉相消，可以实现一定长度的焦深DOF，在不同的深度探测都可以得到稳定的焦点。采用空间光调制器，可以实现DOF1到DOF3的焦深扫描，从而实现了长焦深光束，进一步扩展了光束的焦深范围。图2为STOB和高斯光束在水下的传播对比实验装置图，在水箱中的光束传播实验结果表明，如图3所示，尽管水的折射率不断变化，但是传播光束的稳定性仍然得到了显著的提升，光束的抗湍流性能提高4.7%。本研究提出的新型结构光束对于处理光束在湍流介质中的传播具有重要意义，并为光学系统在复杂环境下的应用提供了有力支持。
图1 长焦深光束产生原理
图2 STOB和高斯光束在水下的传播对比实验装置图
图3 STOB光束湍流鲁棒性能提升结果
作者介绍
曹良才 教授
清华大学
- 曹良才，清华大学精密仪器系教授、博士生导师。国际光学工程学会SPIE和美国光学学会OPTICA会士。2005年获得清华大学光学工程专业博士学位，毕业后留校工作至今，加州大学圣塔克鲁兹分校和麻省理工学院访问学者，研究方向主要为全息光学成像与显示技术，自2023年4月开始担任JPhys Photonics期刊编委。
杨怡谦 博士研究生
清华大学
- 杨怡谦，清华大学精密仪器系博士研究生。2022年毕业于天津大学光电信息科学与工程（天南大合办）专业，获光学工程学士学位，主要研究兴趣为光场调控和量子光学成像。
期刊介绍
- 2022年影响因子：3.8 Citescore: 7.2
- JPhys Photonics（JPPHOTON）是一本新出版的开放获取期刊，面向物理学中应用于光子学各个领域的高质量研究。期刊包含光子学研究中最重要和最激动人心的进展，着重关注跨学科和多学科的研究。涵盖领域包括：生物光子学和生物医学光学；能源和绿色技术应用，包括光伏；成像、检测和传感；光物质相互作用；光源，包括激光器和LED；纳米光子学；非线性和超快光学；光通信和光纤；光数据存储；光电子学、集成光学和半导体光子学；光子材料、超材料和工程结构；等离子体技术；传播，相互作用和行为；量子光子学和光学等。