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JPhys Photonics编辑优选:一种抗湍流传输的稳定结构光束

JPhys Photonics编辑优选:一种抗湍流传输的稳定结构光束
本论文作者来自清华大学精密仪器系,论文主要探索新型结构光束及其在湍流环境下的性能,这种新型结构光束被称为稳定光束STOB(Steady Optical Beam)。研究结果表明,该新型结构光束能够显著提升光束传播时的抗湍流能力。通过采用相位空间光调制器进行动态调控,该方法有效扩展了光束的焦深,并进一步提升了抗湍流能力。该研究在空气、烟雾或水介质中的信号与图像传输领域中具有应用前景。

 

文章介绍|

 

Robust propagation of a steady optical beam through turbulence with extended depth of focus based on spatial light modulator

 

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

DOI:

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2515-7647/acd28c

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。

JPhys Photonics编辑优选:一种抗湍流传输的稳定结构光束
图1 长焦深光束产生原理

 

JPhys Photonics编辑优选:一种抗湍流传输的稳定结构光束
图2 STOB和高斯光束在水下的传播对比实验装置图

 

JPhys Photonics编辑优选:一种抗湍流传输的稳定结构光束
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。

 

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