近日，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院感知科學(xué)與工程學(xué)院楊佳苗副教授團(tuán)隊(duì)在強(qiáng)散射環(huán)境中的光場(chǎng)全維度高精度調(diào)控上取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Spatial full degree-of-freedom scattered optical field modulation”（空域全維度散射光場(chǎng)調(diào)控）在光學(xué)領(lǐng)域國(guó)際著名期刊《Laser & Photonics Reviews》上發(fā)表。

1 研究背景

透過(guò)皮膚等生物組織直接觀察病變細(xì)胞，透過(guò)霧、海水等傳遞無(wú)損光學(xué)信息，這些介質(zhì)“光學(xué)透明化”一直是人們追求的目標(biāo)。但是，介質(zhì)中存在強(qiáng)烈的散射效應(yīng)，光束的振幅、相位和偏振多維度信息會(huì)隨著傳播而增加隨機(jī)畸變，這幾乎扼殺了傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的可能。散射光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)的出現(xiàn)使這種不可能變成了可能，該類方法通過(guò)操控入射光束的高自由度信息，精確規(guī)劃光子在散射介質(zhì)中的傳播路徑，可以最有效地補(bǔ)償散射光學(xué)畸變，進(jìn)而賦予介質(zhì)“光學(xué)透明化”的潛力。然而，現(xiàn)有散射光場(chǎng)調(diào)控方法往往不能提供期望的補(bǔ)償精度，且調(diào)控性能嚴(yán)重依賴介質(zhì)的散射特性，不具備在不同散射環(huán)境中均能生效的魯棒性。主要原因是這些方法僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)部分維度信息的調(diào)控，而其余維度信息失控，導(dǎo)致高隨機(jī)性散射畸變依然存在。

2 創(chuàng)新成果

針對(duì)調(diào)控維度不完整的問(wèn)題，楊佳苗團(tuán)隊(duì)提出了空域全維度散射光場(chǎng)調(diào)控新方法。相較于以往研究中的標(biāo)量模型，該方法采用全維度矢量傳輸矩陣模型，增加光場(chǎng)散射變換過(guò)程的表征精度。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，該方法用兩個(gè)高速數(shù)字微鏡陣列，在正交極化方向上獨(dú)立地調(diào)控兩個(gè)入射子光場(chǎng)復(fù)振幅，隨后逐像素地將兩個(gè)子光場(chǎng)合并，巧妙地解決了現(xiàn)有空間光調(diào)制器無(wú)法同時(shí)控制振幅、相位和偏振的問(wèn)題。

空域全維度散射光場(chǎng)調(diào)控原理圖

該研究使散射光場(chǎng)的調(diào)控精度得到大幅提高，在光透過(guò)強(qiáng)散射介質(zhì)后生成的高對(duì)比度聚焦光斑，其聚焦光斑和背景散斑的強(qiáng)度比值達(dá)1000多。另外，還可以構(gòu)造出多焦點(diǎn)組成的全息字母圖案，每個(gè)圖案具有獨(dú)特的偏振態(tài)。研究成果對(duì)生物醫(yī)學(xué)治療與成像、全息顯示的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。

高對(duì)比度抗散射光聚焦與多焦點(diǎn)全息顯示

同時(shí)，得益于入射光場(chǎng)全維度信息的主動(dòng)調(diào)控，該方法擺脫了對(duì)散射介質(zhì)退偏特性的依賴，在各種散射條件下都展現(xiàn)出了優(yōu)秀的適用性，如下圖所示，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同退偏特性散射環(huán)境的矢量渦旋光束偏振分布與光學(xué)軌道角動(dòng)量的同時(shí)控制。研究成果有望成為光操控和抗散射自由空間光通信的潛在解決方案。

矢量渦旋光束的偏振分布與軌道角動(dòng)量控制

3 研究團(tuán)隊(duì)

上海交通大學(xué)電院感知學(xué)院博士生丁春旭和邵榮君助理研究員為共同第一作者，楊佳苗副教授為通訊作者，該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目的資助。

楊佳苗團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于光學(xué)檢測(cè)/成像、光場(chǎng)調(diào)控、光計(jì)算等方面的科學(xué)研究，以及相關(guān)智能光電儀器設(shè)計(jì)、制造、集成等技術(shù)研發(fā)，在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Light Sci. Appl.、Optica等發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文50余篇。