光场自修复，一般是指光在传播中遇到障碍或扰动后，能够自我重建、并恢复到初始状态的性质，其在光通信、显微成像和光镊等技术领域中的重要应用价值。自修复特性最早于1996年在贝塞尔光束中被发现。此后，随着研究的深入，研究人员发现无衍射光束也具有自修复特性，例如马修光束和横向抛物线光束等。这些无衍射光束都有一个共同特征，即具有圆锥型波矢，这一规律预示了无衍射光子晶格光场的自修复特性。
印度的Vaity博士从实验上证实了环形晶格光束的自修复性质，横截面的横向坡印廷矢量分布显示能量从未被阻挡的部分流向被阻挡的部分并重建了该部分的结构。虽然该实验中的光场为单一晶格结构，不是周期性的，但足以体现晶格光场的自修复性质。
离散无衍射光束具有周期或准周期的横向光强结构，常被用于光子晶格设计和光调控的研究。其中经典的棱形、石墨烯和Kagome型光子晶格在空间光孤子、边界态和平带光局域等方面均有大量研究。2020年，光诱导莫尔光子晶格被提出，仅靠改变两个子晶格的扭转角即可实现光场局域，拓展了光场局域调控的维度。随后，莫尔光子晶格在光场局域、孤子态调控和拓扑等领域备受关注。莫尔光子晶格光场由两种同周期的离散无衍射光束旋转叠加形成，其仍属于无衍射光束。
研究人员通过多平面光干涉叠加方法，设计了周期和准周期的莫尔光子晶格光场，并在光场中引入不同尺寸和形状的缺陷，如图1所示。研究人员选用全息方法产生所设计的缺陷莫尔晶格光场。一方面，该方法能够根据所设计的光场相位灵活实现所需的光场结构，提高了实验的便捷性且降低了实验成本；另一方面，该方法产生的莫尔晶格光场可以在较大尺寸范围内保持光强结构的一致性，是制作光诱导光子晶格常用的方法之一。
图1 全息法产生缺陷莫尔晶格光场的自修复研究实验装置示意图
通过数值模拟和实验观测得出，在缺陷莫尔光子晶格光场形成后，在无衍射范围内，其自修复距离与缺陷大小正相关，且缺陷的中心最先被修复。此外，还发现全息法产生的莫尔光子晶格光场在4f系统后焦面前仍有一段无衍射距离。在此段无衍射范围内，从透镜到4f系统后焦面，莫尔光子晶格光场的缺陷越来越大，逐渐趋近于所预先设计的缺陷大小和形状。为定量地衡量自修复效果，研究人员引入相似度公式，基于数值模拟得出光传输方向不同位置的相似度大小。该方法证实了莫尔光子晶格光场自修复距离的规律，并表明自修复距离与莫尔光子晶格的周期和准周期性质无关。该方法有望应用在光学成像、捕获和信息处理等领域。
山东师范大学光场调控及应用团队由国家杰出青年科学基金获得者蔡阳健教授主持，团队成员包括韩张华教授、郝作强教授、敖献煜教授、赵曰峰教授、高垣梅教授等40位教职工组成。该团队主要开展新型光场调控在复杂环境光通讯、精密光学加工、激光雷达探测、光学成像等新一代信息技术中的应用。承担了国家自然科学基金重大项目课题、国家重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金重大研究（培育）项目、国家自然科学基金面上/青年项目、中国博士后科学基金特别资助项目、山东省自然科学基金项目、横向项目等80余项。
蔡阳健，山东师范大学物理与电子科学学院院长、教授、博士生导师。蔡阳健教授2005年在浙江大学获得物理学专业博士学位，2006年在瑞典皇家理工学院，获电磁场理论专业博士学位。2006.12-2009.1在德国爱尔兰根马普光学研究所（原爱尔兰根马普光学研究组）从事博士后研究，并获德国洪堡基金。2009.2-2022.8,苏州大学任特聘教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者、美国光学学会会士、全国百篇优秀博士学位论文获得者、德国洪堡基金获得者。2018年被聘为山东师范大学物理与电子科学学院院长，创立了山东师范大学光场调控及应用中心, 担任山东省光场调控工程技术中心主任、山东省光学与光子器件技术重点实验室主任。长期从事光场调控及应用、光束传输与控制、光学成像、大气光学、微纳操控等研究，在权威刊物发表SCI收录论文400多篇，发表邀请综述论文20篇，英文专著章节2章，所发表论文被引14000多次，获中国发明专利授权58项、美国发明专利1项。
高垣梅，山东师范大学物理与电子科学学院教授、博士生导师。高垣梅教授2006年在南开大学获得博士学位，同年加入山东师范大学物理与电子科学学院工作。2012年8月-2013年8月赴旧金山州立大学访学，东岳学者（青年人才）获得者，作为主持人主持了一项省基金，两项国家自然科学基金，一项博士后基金，一项教育厅人才引育计划团队项目。在研一项国家自然科学基金重大研究计划（培育）项目，一项国家自然科学基金面上项目。参与三项国家自然科学基金。截止目前，在该领域发表论文60余篇。
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[1].
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[2].
Xiaoying He, Mengyuan Li, Lan Rao. Underwater Bessel-like beams with enlarged depth of focus based on fiber microaxicon[J]. Chinese Optics Letters, 2022, 20(7): 072601.
科学编辑 | 温增润 山东师范大学
