光場調控技術及其抗湍流負效應的研究進展

摘要：光具有振幅、相位和頻率等多維參量。通過調控單一參量或聯合調控多參量可以實現光場調控。光場調控主要分為空域、時域、時空域聯合調控等，可通過調控光場的強度、相位、偏振、頻譜等來達到特定的光學效果。近年來，光場調控在新型光場構建等方面展現出了巨大的潛力，并揭示了許多新穎現象，促進了相關理論及技術的發展。概述了光場調控在空間結構光場和時空光場構建方面的研究進展及其在大氣湍流中的應用，結果表明，光場調控是一種能夠有效抵抗大氣湍流負效應的有效手段。

關鍵詞：光場調控；部分相干光；大氣湍流

中圖分類號：O 431 文獻標志碼：A

引 言

自20 世紀第一臺激光器發明以來，激光因其高亮度、高相干性、高方向性和高單色性等特性，逐漸成為研究的熱點。通過控制光源所擁有的振幅、相位、偏振、頻譜等多維參量，可以調控光場的特性。光場調控一般可分為空域、時域以及時空域聯合調控3 個方面：空域調控主要在空間維度上調控光場的振幅、偏振態、相位等；時域調控主要在時間維度上調控激光脈沖形狀、脈寬、啁啾以及相干特性；時空域聯合調控是在時間和空間維度上同時對光場進行聯合調制，進而實現控制復雜光場的目標。而對于光場的頻域、時域或空域等維度的參量進行單一或者聯合調控，可產生具有特定分布的結構光場，從而使光場滿足生產生活中的實際應用需求[1]。近年來，光場調控技術在光子學研究中展現出巨大的潛力。同時，光場調控研究過程中發現的許多新的物理現象和效應進一步促進了光場調控理論和技術的發展。

1 國內外研究現狀

1995 年，Friberg 等[2] 在時空域和空頻域提出了描述部分相干光的相關系數。其中一個系數描述了時空域的相關性，另一個系數則描述了空頻域的相關性。1996 年，Mandel 等[3] 提出了在空間–時間域和空間–頻率域中滿足波動方程與廣義亥姆霍茲方程的互相關函數與交叉譜密度函數的定義，并揭示了它們通過傅里葉變換相互變換的關系，這對深入理解光的傳播方式、干涉現象、衍射效應以及光與物質之間的相互作用等光學現象具有重要的意義。2005 年，Cai 等[4] 提出了一種利用非相干和部分相干光輻射實現的重合分數傅里葉變換，并設計了相應的光學系統，結果表明，目標的重合分數傅里葉變換的可見度和成像質量與光源的橫向尺寸、相干性及光譜寬度有密切關系。2006 年，Zhan[5] 研究了圓偏振渦旋光束的特性：將圓偏振渦旋光束分解為徑向和方位偏振，并合理匹配渦旋電荷與圓偏振的旋向，得到了具有強縱向分量和平頂光強分布的聚焦場，揭示了光束的軌道角動量與自旋之間的關系。2011 年，Jiang 等[6] 采用優化的三角波來驅動鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，成功地消除了非線性效應，使峰值信號的提取和處理變得更加簡便，同時通過雙匹配光纖布拉格光柵（ fiber Bragggratings，FBG）和應變放大結構的組合來實現布拉格波長的解調，將波長掃描范圍擴展至6.3 nm，從而實現了大范圍、高精度的應變測量。2016 年，袁小聰[7] 設計了新型光學元器件，突破了軌道角動量并行獨立探測的技術難題，并將光學旋渦應用于傳統光學顯微鏡，實現了表面等離子體激元的調控，構建了新一代的表面等離子體激元顯微系統。2017 年，Liu 等[8] 通過數值模擬和實驗發現，部分相干渦旋光束在被障礙物阻擋后，其相干度分布能夠在焦平面實現自我重構，從而可以通過其在焦平面的相干度分布來確定拓撲電荷。2022 年，王亞坤等[9] 通過多坐標變換，將一維艾里光束、二維艾里光束和艾里渦旋光束分別置于不同坐標系中進行變換，從而實現了艾里光束雙瓣和內嵌渦旋在0 至2π范圍內的獨立定向調控。2022 年，Intaravanne 等[10]提出了一種采用單層超表面生成三維（3D）顏色選擇性偏振結構的新方法，利用顏色與相位的聯合復用以及偏振旋轉設計得到了多種三維偏振結構。調節入射光的波長，便能夠在同一觀察區域內生成不同的3D 偏振結構，實現了三維空間中的偏振控制。2023 年，Guo 等[11] 研究了一種新型時空光渦旋，在不同的時空區域內嵌入多個相位奇點，通過調整波包設計中的各項參數，可以在時空中靈活地控制光子軌道角動量（ orbital angularmomentum，OAM）的大小和方向。2024年，Li等[12] 揭示了OAM 光束與素數之間的關聯，提出了一種快速進行質因數分解的方法。該方法利用質數篩對OAM 光束進行調制，在聚焦透鏡后焦平面的軸上測量光強，可直接區分數的因數和非因數。2024 年，顧亮亮等[13] 通過基于轉角系統構建的莫爾平帶結構實現了具備簡并特性的設計，從而能夠生成任意形狀的大面積、高功率納米激光陣列，并可通過調節相對相位精確控制激光的發射方向。綜上所述，近年來科研人員在新型光束的構建、產生及應用方面都取得了巨大的進展，光場調控技術也成為了一個新的研究熱點。