中山大学陈钰杰、余思远课题组：基于螺旋光束的图像信息传输

中山大学陈钰杰、余思远教授课题组在基于弯曲光束的自由空间图像信息传输研究中取得了新的进展，提出并使用一种新的螺旋弯曲轨迹的光束作为图像信息的载体，成功实现了图像信息的传输和接收，并利用课题组前期所研制的基于光子微纳结构的螺旋光束发射器，实验验证了该光束和加载的图像信息对不同尺寸障碍物的抵抗能力。

弯曲光束（自加速光束）是一种可以沿着弯曲轨迹传播的光束，一般具有无衍射、自弯曲和自愈的特性。其中最早发现并且最为常见的弯曲光束是艾里光束，它可以沿着抛物线轨迹传播，如图1(b)所示，因而属于凸型弯曲光束。由于独特的弯曲和自愈特性，弯曲光束能够绕开传播路径上的障碍物，或者当光束主瓣被障碍物遮挡后能够恢复后续的传播轨迹，使其在大气图像传输和显微镜图像传输方面具有极大的潜在应用价值。然而，由于凸型弯曲光束在频域的频谱与空域主瓣位置存在一一对应的关系，当图像信息加载在凸型光束频谱的低频区域时，如图1(a)所示，如果障碍物遮挡主瓣的位置刚好对应这部分频谱，将造成接收的图像信息失真甚至对比度反转，如图1(c)所示。

图 1 (a)加载图像信息的艾里光束频谱，(b)艾里光束传播轨迹的二维投影，(c)遮挡艾里光束低频对应的主瓣位置后接收到的图像信息，(d)加载图像信息的螺旋光束频谱，(e)螺旋光束传播轨迹的二维投影，(f)遮挡螺旋光束低频对应的主瓣位置后接收到的图像信息，插图为遮挡艾里光束和螺旋光束主瓣的情况。

陈钰杰、余思远研究团队提出了一种基于非凸型的螺旋光束的图像信息传输方案。与艾里光束仅沿着单一方向弯曲不同，螺旋光束可以沿着螺旋线轨迹向各个方向弯曲传播，因而属于非凸型弯曲光束。非凸型弯曲光束由于频域的同一空间频率对应空域的多个主瓣位置，因而即使在图像信息传输过程中障碍物遮挡了低频成分的主瓣，也不会出现图像信息对比度失真反转的情况，影响接收的图像信息质量，如图1(f)所示。这一新提出的图像传输方案解决了凸型弯曲光束传输图像存在的制约问题，拓展了基于弯曲光束的图像信息传输研究思路。这一新方案目前已经通过实验进行了演示，验证了螺旋光束和加载的图像信息对不同尺寸障碍物的抵抗能力，在基于自由空间光的图像传输领域如大气图像传输、显微镜图像传输等具有重要的应用前景。

本研究成果以“Resilient Free-Space Image Transmission with Helical Beams”为题发表在Physical Review Applied 12, 044058 (2019)上，中山大学电子与信息工程学院硕士生林炜和博士生闻远辉为共同第一作者，通讯作者为陈钰杰副教授。

该工作得到国家自然科学基金（NSFC）面上和重大项目、国家重点研发计划项目、广东省珠江人才计划本土创新科研团队项目、广州市科技计划项目和中山大学光电材料与技术国家重点实验室等的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.044058