本文为中国激光第2877篇。 欢送点击在看、转发，让更多人看到 Advanced Photonics 2023年第1期文章：
Asher Klug, Cade Peters, Andrew Forbes. Robust structured light in atmospheric turbulence[J]. Advanced Photonics, 2023, 5(1): 016006 湍流：变幻莫测的自然现象 “一闪一闪亮晶晶，满天都是小星星，挂在天空放光明，似乎许多小眼睛……”在这一首孩子们最熟习的歌谣中，悠远的恒星在绚烂夜空中向我们“闪烁眨眼”，这一巧妙景观正是大气湍流的杰作。早在数百年前，艺术家们就在自己的作品中展示了人类对湍流的察看。实践上，上到天文星象，下到百川奔跑，湍流现象在自然界乃至我们的日常生活中亘古未有，好比大气中的乱云飞渡、江海中的险滩急流、小桥人家上的缕缕炊烟等等。
图1 (a)达芬奇手稿和(b)梵高画作《星空》中的湍流 但是，就是这样一种常见的现象却让科学家们不时揣摩不透，以至物理学家理查德·费曼也称湍流为“经典物理学尚未处置的最重要的难题”。了解湍流最大的艰难来源于它的非线性和无规则性，它的参量会随时间和空间的变更表示出随机变更，使许多工程应用在面对湍流时会引发许多不肯定性问题。最为典型的案例是在空间光通讯范畴，大气湍流会招致信号光的闪烁和波前畸变，从而招致误码率的提升和通讯容量及质量的降落。 事实上，在天文观测范畴早已降生了一门优化湍流的学科：自顺应光学。这是一种“以变治变”的措施，基于信标光的波前畸变，经过实时调整变形镜完成对湍流的纠正。但是，自顺应光学系统结构复杂且更适用于观测场景，关于需求高速传输信号的通讯范畴，科学家们则需求找到一个适用于最底层的处置计划。 以不变应万变：寻觅湍流本征值 具有轨道角动量（OAM）的涡旋矢量光（如贝塞尔-高斯方式、厄米-高斯方式等）曾被以为是能够在湍流中自由穿行的理想方式，但是大量研讨发现，涡旋矢量光并不能在包含湍流的长距离光通讯中保障自身的偏振和光场散布不变。 近期， University of the Witwatersrand的Andrew Forbes等提出了一种直接解算湍传播输通道本征值的计划，构建出能够在湍流中穿行而不受干扰的结构光。该工作以 Robust structured light in atmospheric 为题，发表在 Advanced Photonics 2023年第1期。 图2 湍流与理想传输通道的本征方式在两种条件下的传输结果 解算湍流本征值的第一步是将湍传播输通道用矩阵的方式表白出来。研讨人员首先在数学上将传输通道等效为一个传播算子U，并将U合成为多个正交本征方式的线性叠加。在细致的操作中，研讨人员基于自由空间的傍轴格林函数，以像素为基本单元结构本征方式，将信号发射端与接纳端图像用同一套本征模中止合成，最终得到湍传播输矩阵及其对应的本征值。如图2所示，湍流本征方式固然在湍传播输通道中未产生任何畸变，但在自由空间传输中却会发作明显变更；相比之下，涡旋光束作为理想自由空间的本征模，其在湍流通道中产生的畸变更为显著。
图3 (a)随着湍流逐步增强（从上至下），湍流本征方式与拉盖尔高斯方式传输前后的光场散布（插入小图为传输前）；(b)拉盖尔-高斯方式与(c)湍流本征的高阶方式在传输后的相关性散布 接下来，研讨人员采用上述措施计算了在不同Rytov方差σ R 和大气相干长度r 0 （弗里德参数）条件下的湍流本征模和拉盖尔-高斯方式的传输结果。σ R 与r 0 是反映大气湍流猛烈水平的指标：σ R 越大、r 0 越小阐明湍流越强。如图3(a)所示，随着湍流水平的加剧，拉盖尔-高斯方式的光场畸变愈发严重，致使难以分辨光场特征；而经过算法解算出的湍流本征方式无论面对什么样的湍流状态都能够稳定无畸变的传输。 随后，研讨人员还计算了高阶方式在湍流通道中的信号（方式）串扰状况。如图3(b)、(c)所示，不同阶数的拉盖尔高斯方式在湍流通道传输后原本正交的方式之间呈现了明显的串扰（相关系数>0）；而恣意阶数的湍流本征模之间则不存在任何串扰，能够一直坚持方式间的正交性，这一特性为模分复用技术奠定了坚实的基础，能够应用湍流本征模极大扩展光通讯容量。
图4 模仿湍传播输的实验装置及实验结果 最后，研讨人员采用了四台空间光相位调制器完成了对湍流本征方式的解算和传输模仿。图4中间为实验装置表示图，其中三台空间光相位调制器共同组成了湍流强度可调的模仿传输通道。由He-Ne激光出射的光源经过第一台空间光相位调制器，被变换为不同阶数的湍流本征方式和拉盖尔-高斯方式。图4右侧实验结果显现：在不同湍流的影响下，各阶湍流本征模都能无畸变稳定传输，而拉盖尔-高斯方式则随着湍流的增强，畸变越来越大。 值得留意的是，湍流本征模会随着湍流状态的改动而变更，因而在实践应用中需求思索传输距离和时变要素。不外关于绝大多数应用场景而言，在有限的传输距离内（<100 km），信号发射端与接纳端的光信号传输时间仅有毫秒量级，通常可以为大气湍流是静止不变的。因而，上述对湍流本征模的解算措施是具有实践价值的。 结语 寻觅并解算恣意传输通道的本征方式，这一思绪能够应用于各种缓变的复杂介质中的光通讯，好比混浊的水下、存在光学畸变或热畸变的传输通道等等。相比于诸如自顺应光学这类需求后端矫正的湍流处置计划，这种基于结构光调制的湍流本征方式能够极大的降低运算和设备需求，并能有效降低方式串扰、提升通讯容量，为未来自由空间高速光通讯的应用提供了新的计划。 中国激光杂志社招聘 工作地点：上海 1. 中/英文刊编辑 组稿、论文评审与期刊出版 2.出版编辑 稿件格式审核、编辑加工、校正 3.后端开发 设计与开发公司平台系统 4.数字编辑 完成期刊论文等资源数字化 点此了解详情 简历请发送至 hubing@siom.ac.cn 邮件题目：招聘职位—姓名 End 首发前沿光学成果，放送新颖光学活动 如需转载，请直接留言。 免责声明 本文中所呈现的一切图片均为转载，如触及版权等问题，请作者在20个工作日之内来电或来函联络，我们将谐和给予处置（依照法规支付稿费或删除）。 最终解释权归《中国激光》杂志社一切 |
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