四川大学汪莎课题组等：用于散射介质成像的连续光简并腔激光器 | 前沿进展
在激光技术蓬勃发展的今天，传统激光的高相干性虽然提高了亮度，却在成像中带来了散斑噪声和不稳定性的问题。近日，四川大学电子信息学院汪莎研究员课题组与中国科学院光电技术研究所团队提出了一种新型连续光简并腔激光器。该连续光简并腔激光器能有效抑制来自增益晶体的热透镜效应。在实验中，实现了具有约2000个横模的激光输出，其散斑对比度约为0.0224。这种激光器可用于抑制散斑，并能抵御大气湍流，这一研究成果有望在激光器成像技术和照明领域取得进一步突破和应用。
相关结果以“ Continuous-wave degenerate cavity laser for optical imaging in scattering media”为题，发表在Optics Letters。
激光由于其高亮度和高相干性，推动了科学技术的进步。然而，由于激光本身的高相干性会带来很多无法避免的缺点，不仅会导致全场成像和显示中的散斑噪声等有害效应，而且其在大气湍流中传播所引起的波前相位畸变会使得光束在局部领域内产生干涉，从而导致类似“星光闪烁”等现象，这成为了许多激光工程应用中的主要限制因素。大量研究表明，部分相干光可有效抑制散斑噪声，与完全相干光束相比更不易受湍流影响。简并腔激光器因其自成像的结构可以实现大量横模同时在腔内激发，从而直接输出部分相干光，因此它已在成像、激光显示等领域得到广泛的应用，了解简并腔激光器输出的部分相干光束如何在散射介质和湍流中传播对于理解激光的完全传播特性也至关重要。
为了证明该简并腔激光器散斑抑制的能力，本研究设计了一个非侵入式成像系统，如图 2所示。
通过实验，对比了简并腔激光器、高斯光束和LED在相同条件下的成像效果。
1. 简并腔激光器的成像表现：即使在散射强度增加的情况下，简并腔激光器依然能够保持目标特征的可识别性。这得益于其残留的弹道光子，它们在散射光子干扰下仍能保持图像的清晰度。
2. 高斯光束的成像表现：在短距离成像时，使用与简并腔激光器具有相同光斑大小、波长和功率的高斯光束，会因为其高空间相干性而在成像过程中产生明显的散斑噪声，这严重影响了图像质量。
3. LED的成像表现：在相同散射条件下，简并腔激光器产生的图像比LED更清晰。但在散射强度较高的情况下，CCD相机几乎无法捕捉到目标特征。这是因为简并腔激光器在相同功率下具有更高的功率密度，从而在单位面积上残留的弹道光子数量更多。
4. 简并腔激光器的照明特点：简并腔激光器由于其较低的空间相干性，在通过散射体后，能够提供更平滑的照明效果，这表明了其在目标平面上具有散斑抑制效果。
5. 散射介质中的传播：简并腔激光器在通过散射介质再次传播时，由于其较低的空间相干性，最终检测到的图像中散斑噪声较少，使得目标特征得以保持清晰。
6. 简并腔激光器的优势：实验结果表明，简并腔激光器的输出光束凭借其较低的空间相干性、更高的强度和弹道光子数量，能够有效抑制散斑噪声，减少图像信息的散射损失，从而在非侵入性成像应用中更有效地保留目标信息。
激光在大气湍流中传输会使得激光光束强度波动，这种波动被称为闪烁指数。在自由空间光通信系统中，降低闪烁指数是提高成像性能的关键。该研究通过使用三个加热设备创造空气对流模拟了大气湍流。
1.折射率结构常数C2n：研究通过评估高斯光束的闪烁指数，来测量大气湍流的折射率结构强度。在模拟的湍流条件下，CCD相机记录了受影响的激光束的强度分布，从而计算出闪烁指数，并转换为大气湍流的折射率结构常数C2n。
2.简并腔激光器的优势：在400°C的高温下，高斯光束的闪烁指数达到了0.2932，对应的折射率结构常数为5.08×10-9，这表明模拟的大气湍流属于强湍流。而简并腔激光器的闪烁指数仅为0.0356，大约是高斯光束的八分之一。这一结果充分展示了简并腔激光器在大气湍流中的卓越稳定性。
3.图像重建质量的比较：为了进一步证明简并腔激光器的抗湍流能力，将它的图像重建质量与高斯光束进行了比较。研究中使用了一种无需先验知识的多帧盲反卷积算法，从多张模糊图像中恢复出清晰的图像。实验结果显示，高斯光束在大气湍流后需要更多的图像帧来恢复目标的基本形状，而简并腔激光器的输出光只需10帧图像即可恢复图像，且边缘仅略显粗糙。这些结果进一步证实了简并腔激光器在增强成像系统稳定性方面的显著优势。
该研究由四川大学电子信息学院徐梦银、朱杰、汪莎与中国科学院光电技术研究所团队合作完成。该工作得到了国家自然科学基金和光场调控科学技术全国重点实验室的大力支持。
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