摘要：光具有振幅、相位和頻率等多維參量。通過調(diào)控單一參量或聯(lián)合調(diào)控多參量可以實現(xiàn)光場調(diào)控。光場調(diào)控主要分為空域、時域、時空域聯(lián)合調(diào)控等，可通過調(diào)控光場的強(qiáng)度、相位、偏振、頻譜等來達(dá)到特定的光學(xué)效果。近年來，光場調(diào)控在新型光場構(gòu)建等方面展現(xiàn)出了巨大的潛力，并揭示了許多新穎現(xiàn)象，促進(jìn)了相關(guān)理論及技術(shù)的發(fā)展。概述了光場調(diào)控在空間結(jié)構(gòu)光場和時空光場構(gòu)建方面的研究進(jìn)展及其在大氣湍流中的應(yīng)用，結(jié)果表明，光場調(diào)控是一種能夠有效抵抗大氣湍流負(fù)效應(yīng)的有效手段。

關(guān)鍵詞：光場調(diào)控；部分相干光；大氣湍流

中圖分類號：O 431 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引 言

自20 世紀(jì)第一臺激光器發(fā)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(diào)控光場的特性。光場調(diào)控一般可分為空域、時域以及時空域聯(lián)合調(diào)控3 個方面：空域調(diào)控主要在空間維度上調(diào)控光場的振幅、偏振態(tài)、相位等；時域調(diào)控主要在時間維度上調(diào)控激光脈沖形狀、脈寬、啁啾以及相干特性；時空域聯(lián)合調(diào)控是在時間和空間維度上同時對光場進(jìn)行聯(lián)合調(diào)制，進(jìn)而實現(xiàn)控制復(fù)雜光場的目標(biāo)。而對于光場的頻域、時域或空域等維度的參量進(jìn)行單一或者聯(lián)合調(diào)控，可產(chǎn)生具有特定分布的結(jié)構(gòu)光場，從而使光場滿足生產(chǎn)生活中的實際應(yīng)用需求[1]。近年來，光場調(diào)控技術(shù)在光子學(xué)研究中展現(xiàn)出巨大的潛力。同時，光場調(diào)控研究過程中發(fā)現(xiàn)的許多新的物理現(xiàn)象和效應(yīng)進(jìn)一步促進(jìn)了光場調(diào)控理論和技術(shù)的發(fā)展。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1995 年，F(xiàn)riberg 等[2] 在時空域和空頻域提出了描述部分相干光的相關(guān)系數(shù)。其中一個系數(shù)描述了時空域的相關(guān)性，另一個系數(shù)則描述了空頻域的相關(guān)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(guān)函數(shù)與交叉譜密度函數(shù)的定義，并揭示了它們通過傅里葉變換相互變換的關(guān)系，這對深入理解光的傳播方式、干涉現(xiàn)象、衍射效應(yīng)以及光與物質(zhì)之間的相互作用等光學(xué)現(xiàn)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(xiàn)的重合分?jǐn)?shù)傅里葉變換，并設(shè)計了相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)果表明，目標(biāo)的重合分?jǐn)?shù)傅里葉變換的可見度和成像質(zhì)量與光源的橫向尺寸、相干性及光譜寬度有密切關(guān)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(qiáng)縱向分量和平頂光強(qiáng)分布的聚焦場，揭示了光束的軌道角動量與自旋之間的關(guān)系。2011 年，Jiang 等[6] 采用優(yōu)化的三角波來驅(qū)動鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，成功地消除了非線性效應(yīng)，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 Bragggratings，F(xiàn)BG）和應(yīng)變放大結(jié)構(gòu)的組合來實現(xiàn)布拉格波長的解調(diào)，將波長掃描范圍擴(kuò)展至6.3 nm，從而實現(xiàn)了大范圍、高精度的應(yīng)變測量。2016 年，袁小聰[7] 設(shè)計了新型光學(xué)元器件，突破了軌道角動量并行獨立探測的技術(shù)難題，并將光學(xué)旋渦應(yīng)用于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡，實現(xiàn)了表面等離子體激元的調(diào)控，構(gòu)建了新一代的表面等離子體激元顯微系統(tǒng)。2017 年，Liu 等[8] 通過數(shù)值模擬和實驗發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)自我重構(gòu)，從而可以通過其在焦平面的相干度分布來確定拓?fù)潆姾伞?022 年，王亞坤等[9] 通過多坐標(biāo)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(biāo)系中進(jìn)行變換，從而實現(xiàn)了艾里光束雙瓣和內(nèi)嵌渦旋在0 至2π范圍內(nèi)的獨立定向調(diào)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(jié)構(gòu)的新方法，利用顏色與相位的聯(lián)合復(fù)用以及偏振旋轉(zhuǎn)設(shè)計得到了多種三維偏振結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)入射光的波長，便能夠在同一觀察區(qū)域內(nèi)生成不同的3D 偏振結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)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(qū)域內(nèi)嵌入多個相位奇點，通過調(diào)整波包設(shè)計中的各項參數(shù)，可以在時空中靈活地控制光子軌道角動量（ orbital angularmomentum，OAM）的大小和方向。2024年，Li等[12] 揭示了OAM 光束與素數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，提出了一種快速進(jìn)行質(zhì)因數(shù)分解的方法。該方法利用質(zhì)數(shù)篩對OAM 光束進(jìn)行調(diào)制，在聚焦透鏡后焦平面的軸上測量光強(qiáng)，可直接區(qū)分?jǐn)?shù)的因數(shù)和非因數(shù)。2024 年，顧亮亮等[13] 通過基于轉(zhuǎn)角系統(tǒng)構(gòu)建的莫爾平帶結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了具備簡并特性的設(shè)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(diào)節(jié)相對相位精確控制激光的發(fā)射方向。綜上所述，近年來科研人員在新型光束的構(gòu)建、產(chǎn)生及應(yīng)用方面都取得了巨大的進(jìn)展，光場調(diào)控技術(shù)也成為了一個新的研究熱點。