JPhys Photonics编辑优选：一种抗湍流传输的稳定结构光束

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。