0 引　言

自20世紀第一臺激光器發明以來，激光因其高亮度、高相干性、高方向性和高單色性等特性，逐漸成為研究的熱點。通過控制光源所擁有的振幅、相位、偏振、頻譜等多維參量，可以調控光場的特性。光場調控一般可分為空域、時域以及時空域聯合調控3個方面：空域調控主要在空間維度上調控光場的振幅、偏振態、相位等；時域調控主要在時間維度上調控激光脈沖形狀、脈寬、啁啾以及相干特性；時空域聯合調控是在時間和空間維度上同時對光場進行聯合調制，進而實現控制復雜光場的目標。而對于光場的頻域、時域或空域等維度的參量進行單一或者聯合調控，可產生具有特定分布的結構光場，從而使光場滿足生產生活中的實際應用需求^[1]。近年來，光場調控技術在光子學研究中展現出巨大的潛力。同時，光場調控研究過程中發現的許多新的物理現象和效應進一步促進了光場調控理論和技術的發展。

1 國內外研究現狀

1995年，Friberg等^[2]在時空域和空頻域提出了描述部分相干光的相關系數。其中一個系數描述了時空域的相關性，另一個系數則描述了空頻域的相關性。1996年，Mandel等^[3]提出了在空間–時間域和空間–頻率域中滿足波動方程與廣義亥姆霍茲方程的互相關函數與交叉譜密度函數的定義，并揭示了它們通過傅里葉變換相互變換的關系，這對深入理解光的傳播方式、干涉現象、衍射效應以及光與物質之間的相互作用等光學現象具有重要的意義。2005年，Cai等^[4]提出了一種利用非相干和部分相干光輻射實現的重合分數傅里葉變換，并設計了相應的光學系統，結果表明，目標的重合分數傅里葉變換的可見度和成像質量與光源的橫向尺寸、相干性及光譜寬度有密切關系。2006年，Zhan^[5]研究了圓偏振渦旋光束的特性：將圓偏振渦旋光束分解為徑向和方位偏振，并合理匹配渦旋電荷與圓偏振的旋向，得到了具有強縱向分量和平頂光強分布的聚焦場，揭示了光束的軌道角動量與自旋之間的關系。2011年，Jiang等^[6]采用優化的三角波來驅動鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，成功地消除了非線性效應，使峰值信號的提取和處理變得更加簡便，同時通過雙匹配光纖布拉格光柵（fiber Bragg gratings，FBG）和應變放大結構的組合來實現布拉格波長的解調，將波長掃描范圍擴展至6.3 nm，從而實現了大范圍、高精度的應變測量。2016年，袁小聰^[7]設計了新型光學元器件，突破了軌道角動量并行獨立探測的技術難題，并將光學旋渦應用于傳統光學顯微鏡，實現了表面等離子體激元的調控，構建了新一代的表面等離子體激元顯微系統。2017年，Liu等^[8]通過數值模擬和實驗發現，部分相干渦旋光束在被障礙物阻擋后，其相干度分布能夠在焦平面實現自我重構，從而可以通過其在焦平面的相干度分布來確定拓撲電荷。2022年，王亞坤等^[9]通過多坐標變換，將一維艾里光束、二維艾里光束和艾里渦旋光束分別置于不同坐標系中進行變換，從而實現了艾里光束雙瓣和內嵌渦旋在0至2π范圍內的獨立定向調控。2022年，Intaravanne等^[10]提出了一種采用單層超表面生成三維（3D）顏色選擇性偏振結構的新方法，利用顏色與相位的聯合復用以及偏振旋轉設計得到了多種三維偏振結構。調節入射光的波長，便能夠在同一觀察區域內生成不同的3D偏振結構，實現了三維空間中的偏振控制。2023年，Guo等^[11]研究了一種新型時空光渦旋，在不同的時空區域內嵌入多個相位奇點，通過調整波包設計中的各項參數，可以在時空中靈活地控制光子軌道角動量（orbital angular momentum，OAM）的大小和方向。2024年，Li等^[12]揭示了OAM光束與素數之間的關聯，提出了一種快速進行質因數分解的方法。該方法利用質數篩對OAM光束進行調制，在聚焦透鏡后焦平面的軸上測量光強，可直接區分數的因數和非因數。2024年，顧亮亮等^[13]通過基于轉角系統構建的莫爾平帶結構實現了具備簡并特性的設計，從而能夠生成任意形狀的大面積、高功率納米激光陣列，并可通過調節相對相位精確控制激光的發射方向。綜上所述，近年來科研人員在新型光束的構建、產生及應用方面都取得了巨大的進展，光場調控技術也成為了一個新的研究熱點。

2 光場調控原理

光場傳播是一個復振幅衍射的過程，為了在焦平面獲得所需的光場，通常需要調整入射平面的復振幅，并通過一系列光學元件進行衍射。通常，激光從激光器出射后經過激光擴束鏡等器件處理后，則可從相位、振幅、復振幅3個維度來進行調控。相位調制是在入射光場振幅不變的情況下，利用相位延遲器件在入射平面不同像素引入光程差來改變相位，進而得到所需光場。振幅調制是在入射平面插入數字微鏡陣列或掩膜版，將不需要的像素反射到其他位置或直接阻擋吸收，從而得到振幅受調制的入射光場。復振幅調制是根據惠更斯原理，將目標光場分解為點源，并以球面波逆向傳播，然后在入射平面疊加得到復振幅分布，再將此復振幅分布正向傳播，可以近乎不失真地重建目標光場。利用調控光場理論可以構建目標光場，利用實驗光路可以實現光場的制備。光場調控可以在空域、時域以及時空域聯合等多個維度進行，通過不同的實驗方法可實現對相位、振幅或復振幅的調控^[14]。

2.1 部分相干結構光場調控基礎理論

部分相干光在很多領域中表現出獨特的優異性，如可以克服相干引起的散斑噪聲，能提高成像信噪比及降低信號傳輸過程中的誤碼率等。在對部分相干光進行描述時，空間–頻域中的部分相干光的交叉譜密度是空間位置和光場頻率的函數^[15]，即

式中：W為交叉光譜密度函數；r=（x，y）為位置坐標；ω為光場的頻率；E為與傳輸方向相垂直的電場；*為復共軛。要構建出具有物理意義的光束，需滿足Gori等^[16]和De santis等^[17]提出的部分相干光束的非負正定條件，即

式中：H（r, v）為任意函數；p（v）為非負函數；v為傅里葉空間的位置。基于式（2），可以通過構建H（r, v）函數和p（v）非負函數，獲得不同類型的部分相干光束。

部分相干光束的實驗制備方法，主要有動態散射體法和模式分解法，相關示意圖見圖1。

2.2 時空光場調控基礎理論

在時空光場的描述方面，時空光場的互相干函數^[15]為

式中：Γ為互相干函數；x為空間坐標；t為時間變量； H為任意函數；p為非負函數；v為傅里葉空間的位置。基于式（3），可以構建出時空調控的光場。目前，已實驗制備出時空渦旋光場和貝塞爾時空光學渦旋（Bessel spatiotemporal optical vortices，BeSTOV）^[18-19]。

BeSTOV合成裝置示意圖見圖2，利用該裝置調制波包的空間相位和光譜相位，可生成具有時空耦合場分布的BeSTOV。該典型的BeSTOV合成器由衍射光柵、圓柱形透鏡和空間光調制器（spatial light modulator，SLM）等組成。

3 光場調控技術的應用研究

目前，光場調控技術已在時域、空域和時空域3個方面形成了成熟的理論體系，并在抗湍流干擾、提高單模光纖耦合效率等方面得到廣泛應用。

3.1 抗大氣湍流擾動

大氣湍流是由于大氣中氣流的不規則運動引起的。大氣湍流有2個重要參數，分別是代表湍流渦旋中最小渦旋的內尺度和代表最大渦旋的外尺度。當光束在大氣信道中傳輸時，大氣湍流引發的光強起伏、光束漂移、相位起伏和光束擴展等因素，會嚴重干擾光信號，從而降低光通信系統的性能。若采用光場調控技術則可以有效降低光信號傳輸過程中大氣湍流的影響^[20]。光在大氣湍流中的傳播示意圖見圖3。

光纖耦合效率是指光源發出的光能夠傳輸到接收端光纖中的比例。提高光纖耦合效率可以有效提高系統的光能利用。在自由空間中，光纖耦合效率通常比較高。然而，當光束經過大氣湍流時，由于光強信號衰落，傳輸到接收端的能量會降低，從而導致光束的光纖耦合效率降低。采用光場相干結構調控技術可以降低大氣湍流對光纖耦合效率的影響。大氣湍流條件下的空間光束耦合光纖示意圖見圖4。

2019年，Liang等^[27]提出了部分相干準直激光束穿過湍流生物組織到達光纖時的光纖耦合效率模型。通過研究鏈路參數對光纖耦合效率的影響，他們發現對于特定的湍流組織存在最優的焦距和傳輸光束半徑。2019年，Yu等^[28]針對高容量無線光纖鏈路的需求，首先研究了大氣湍流條件下拉蓋爾–高斯渦旋光束與拋物型光纖的耦合效率，建立了耦合模型，分析了湍流對耦合效率的影響，并提出了系統優化的方法，以抑制耦合效率的下降。2015年，Tan等^[29]用高斯–謝爾模型（Gaussian Schell model，GSM）取代了以往研究中基于高斯模型的交叉譜密度函數，給出了GSM激光源通過大氣湍流后的光纖耦合效率方程，同時指出光纖耦合效率隨著源相干參數的增加而不斷降低。2022年，尹涵等^[30]提出了一種基于 LP₀₁、LP_11a和 LP_11b兩模組光纖的少模分集接收結合相干檢測信號處理的方案，以對抗自由空間光通信系統中大氣湍流對系統性能的影響，從而提高接收機的性能。2022年，劉永雷等^[31]詳細總結了新型相干結構部分相干光場的理論構建和實驗合成進展，同時概述了其在復雜介質中的魯棒傳播特性以及在光加密、成像、魯棒信息傳遞和光束整形等方面的應用。

4 結　論

本文總結了光場調控技術在空域、時域、時空域等方面的研究進展及其在大氣湍流環境中的應用。首先，總結了光場調控的基本原理、光場構建原理及光束實驗制備方案等方面的研究工作；隨后，論述了大氣湍流對傳輸光場的影響，以及在無線光通信中抑制湍流噪聲、提高信號傳輸穩定性和可靠性等方面的工作；最后，討論了調控光場在提高光纖耦合效率和信息傳遞等方面的研究進展。

文章來源：《光學儀器》

文獻作者：叢芮、朱培瑩 、劉大軍