封面：锋芒光束抑制大气湍流的研究进展与展望

撰稿人：刘超

论文题目：锋芒光束抑制大气湍流的研究进展与展望（封面文章·特邀）

作者：刘超^1,2,3,4，王熔^1,2,3,4，兰斌^1,2,3，李学莹^1,2,3，张开河^1,2,3，代天君^1,2,3，张优^1,2,3,4

完成单位：1.中国科学院光电技术研究所；2.自适应光学全国重点实验室；3.中国科学院自适应光学重点实验室；4.中国科学院大学

大气的随机起伏会引起光束的畸变、扩展、漂移和闪烁等湍流效应。常用的抑制方法主要有自适应光学技术、信号处理技术和无衍射光束传输技术等，这些技术存在系统复杂或者效果不理想等问题。近年，一种名叫锋芒光束的特殊光束被提出并用于抑制大气湍流，受到学术界广泛关注。锋芒光束在传输过程中具有自聚焦的特点，经过焦点后退化为类贝塞尔光束继续向前传输。随着对锋芒光束的深入研究，为了适应多种复杂的应用环境，其衍生的锋芒涡旋光束和稳定光束也被发现具有极高的研究价值。经过同等强度的湍流传输，锋芒涡旋光束比起LG涡旋光束在质心偏移和抖动量改善了50%以上。稳定光束在20 mm的传输距离范围内，其参数积仅为高斯光束参数积的49.40%。锋芒光束被证明可以有效抑制大气湍流，并实现长距离稳定传输。使用锋芒光束进行大气传输，系统结构简单、成本低，抑制湍流实时性高、效果好。本文综述了锋芒光束的产生、传输特性和应用研究，并对其发展趋势和应用前景进行了展望。

抑制大气湍流影响，一直是学术界非常关注和重点研究的工作。近年来，人们提出了各种方法以保持激光在湍流情况下的稳定传输，如自适应光学技术、信号处理技术和无衍射光束传输技术等。自适应光学(AO)主要利用主动光学器件对畸变的光束进行修复，是一种能主动补偿大气湍流效应的技术，但该技术成本较高、系统较复杂。信号处理技术是一种被动的抑制大气湍流的技术，能对弱湍流产生较好的抑制作用，但抑制能力非常有限。随着对湍流抑制技术的研究，无衍射光束利用自身特性抑制大气湍流的性质也引起了人们的关注，但限制其应用最大的问题是传输距离过短。

锋芒光束是通过多束径向对称的艾里光束合成而来，各个方向对称的艾里光束相互发生干涉消除了横向波矢，从而使光束得以稳定传输。但与艾里光束不同的是，锋芒光束已经被证明可以达到公里级的稳定传输，且光斑能量比传统的高斯光束更加集中，光斑畸变更小。国内外均有研究团队进行传输实验的研究，无论是通信、成像还是测量等领域，锋芒光束都是非常有潜力的抗湍流技术之一。

经过了同等强度的湍流扰动后，将锋芒光束与高斯光束、聚焦高斯光束、径向对称突变自聚焦光束等比较，锋芒光束在传输中都展示出了良好的湍流抑制效果。锋芒光束不仅能长久保持稳定传输状态，还在空间激光通信中也展示出了良好的特性。将锋芒光束用于1 Gbit/s的开关键控（OOK）空间激光通信传输链路实验中，经过相当长的传输距离（最远达到了1 km）后使用有限大的接收孔径时，发现了锋芒光束的功率损耗比高斯光束的功率损耗小8-13 dB，眼图更加清晰，误码率更低。在通信实验中，锋芒光束能在公里级别保持稳定传输并降低误码率，有望成为解决激光通信中大气湍流问题的重要技术，为信息传输提供了坚实的保障。

为了提高光束自身的传输质量和满足更多场景的应用需求，锋芒光束也发展出了一些衍生光束，比如用于激光通信的锋芒涡旋光束、传输特性更好的稳定光束等。中国科学院光电技术研究所徐月等将锋芒光束和涡旋光束结合起来，验证了有望用于空间激光通信的锋芒涡旋光束。如图3所示，实验比较了拉盖尔高斯涡旋光束（LG涡旋光束）和锋芒涡旋光束（文中称PVB）的远场图像。结果表明在经过同等强度的大气湍流后，锋芒涡旋光束比LG涡旋光束的远场光斑畸变更小。为了进一步研究锋芒涡旋光束在湍流中的传输性能，实验比较了光斑的抖动结果如图4所示，锋芒涡旋光束的质心偏移和抖动量相较于LG涡旋光束至少改善了50%以上。实验充分显示了锋芒涡旋光束稳定的传输性能，证明了锋芒光束良好的大气湍流抑制能力。

大气湍流影响已经成为天文成像、激光大气传输、空间大气激光通信等技术领域必须要解决的问题。锋芒光束可以抗湍流传输，并在湍流环境下表现出了自聚焦的传输特性，比高斯光束的传输更为稳定。采用锋芒光束进行湍流抑制不仅可以使系统结构简单，适用范围扩大，还能降低成本，其优良特性有望在湍流抑制研究中发挥更大的作用。其衍生光束如锋芒涡旋光束、稳定光束在抗湍流传输中也展现出较好的性能。在复杂的自适应光学系统无法应用的场景下，使用锋芒光束对畸变的波前进行校正是一种很好的湍流抑制技术。