西北工业大学物理科学与技术学院，光场调控与信息感知工业和信息化部重点实验室，陕西省光信息技术重点实验室，陕西 西安 710129
贝塞尔光束以其独特的无衍射传输特性得到了广泛的关注，在光学操控、光学加工、信息传输、光学成像等领域具有巨大的应用前景。为了丰富光束的传输特性，通过不同手段对贝塞尔光束传输的调控成为了热点问题。研究者提出不同的理论和方法，通过对贝塞尔光束进行不同维度的调控，构造了沿任意轨迹传输、轴上强度和偏振可调的新型类贝塞尔光束。从贝塞尔光束的基本特性出发，总结了近年来贝塞尔光束传输调控相关的研究进展，包括贝塞尔光束的传输轨迹控制、轴向强度和偏振态控制、束宽控制等基本调控手段，并分析了其传输和调控机理。
光场调控 无衍射光束 贝塞尔光束 光传输 光学学报
2024, 44(10): 1026001
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Abstract
The ability to overcome the negative effects, induced by obstacles and turbulent atmosphere, is a core challenge of long-distance information transmission, and it is of great significance in free-space optical communication. The spatial-coherence structure, that characterizes partially coherent fields, provides a new degree of freedom for carrying information. However, due to the influence of the complex transmission environment, the spatial-coherence structure is severely damaged during the propagation path, which undoubtedly limits its ability to transmit information. Here, we realize the robust far-field orbital angular momentum (OAM) transmission and detection by modulating the spatial-coherence structure of a partially coherent vortex beam with the help of the cross-phase. The cross-phase enables the OAM information, quantified by the topological charge, hidden in the spatial-coherence structure can be stably transmitted to the far field and can resist the influence of obstructions and turbulence within the communication link. This is due to the self-reconstruction property of the spatial-coherence structure embedded with the cross-phase. We demonstrate experimentally that the topological charge information can be recognized well by measuring the spatial-coherence structure in the far field, exhibiting a set of distinct and separated dark rings even under amplitude and phase perturbations. Our findings open a door for robust optical signal transmission through the complex environment and may find application in optical communication through a turbulent atmosphere.
degree of coherence orbital angular momentum cross-phase topological charge information transmission Opto-Electronic Science
2024, 3(1): 240001
1 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海交通大学物理与天文学院，上海 200240
2 上海量子科学研究中心，上海 201315
波前整形方法通过改变入射光的相位模式分布来补偿由散射引起的相位畸变，使散射光子可以被有效地利用，从而实现散射光场调控。通过散射光场调控可以将有害的散射介质变成可控的光学元件，实现光的定向传输、动态检测等功能，为其在各领域中的应用提供了一种强大的工具。本文在介绍光场散射特性及其调控方法原理的基础上，介绍了散射光场空间、偏振、频率、能量和轨道角动量等自由度的调控方法，随后重点介绍了散射光场调控在成像、通信、非线性光学、量子光学、光学检测、集成光学和光计算等领域的最新研究进展。
物理光学 散射 光场调控 波前整形 传输矩阵 光学学报
2024, 44(10): 1026006
1 清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084
2 清华大学精密仪器系光子测控技术教育部重点实验室，北京 100084
3 北京控制工程研究所，北京 100190
散射介质会破坏光束的光波前分布和能量输送，限制了强散射环境下光镊、荧光成像、光通信等技术的应用。波前整形技术通过优化入射波前，重新规划散射介质内的光传输路径，实现了在散射介质内部或透过散射介质的光聚焦，从而克服了散射介质的限制，将散射光重新利用，使得散射介质成为一个类似透镜的光学元件，也被称为“浑浊透镜”。目前主要有依赖反馈调控的迭代优化方法、建立输入-输出联系的传输矩阵方法和利用光路可逆原理的相位共轭方法三类技术路线。本文从技术原理、应用背景以及重要进展等方面梳理了基于波前整形技术的散射介质聚焦的研究进展，并对比展望了三类技术在应用中的发展前景。
散射介质 波前整形 光聚焦 迭代优化 传输矩阵 光学相位共轭 光学学报
2024, 44(10): 1026013
为防止低轨光学卫星相控阵数传任务过程中相机进光而对传感器造成损伤，提出了一种相控阵数传任务期间的太阳光姿态规避方法。首先，计算出地心固连坐标系中卫星指向太阳的向量与卫星指向地面数传站的向量，并建立两向量所在平面的单位法向量。其次，以单位法向量为旋转轴使卫星指向地面数传站的向量以相控阵最大离轴角进行旋转，旋转后的向量即为卫星在地心固连坐标系下的太阳光规避向量。然后，通过太阳光规避向量、地心固联坐标系中卫星的位置及地心固联坐标系到轨道坐标系的转换矩阵，规划卫星在轨道坐标系下的太阳光规避姿态并计算出相控阵指向角。最后，在吉林一号高分02D星上进行了仿真分析和在轨试验。仿真结果表明，在相控阵最大波束角为60°的情况下，卫星使用太阳光姿态规避方法进行数传后，在12月份内相机与太阳光夹角在90°以下的概率由传统凝视姿态数传方法的44.1%降低为2.1%。吉林一号高分02D星在轨试验结果表明，近似相同条件下的两次数传任务在使用太阳光姿态规避方法进行数传后，相机与太阳光的夹角由传统凝视姿态的31.3°~152.1°提升为96.3°~180°，验证了太阳光姿态规避方法可在数传任务期间有效规避太阳光，保证了低轨光学卫星相机在轨的安全性和可靠性。
光学卫星 相控阵数传 太阳光规避 期望姿态 吉林一号高分02D星 optical satellite phased array transmission sunlight avoidance expected attitude Jilin1-GF02D satellite
随着低轨卫星互联网的迅猛发展，星间激光通信链路成为低轨大型星座互联互通的关键，也是用户接入卫星互联网实现全球范围内端到端交互的基础。与地球同步轨道的星间环网不同，由于低轨卫星的高动态性，造成星间链路需要不断动态重构，由此带来空间节点的编址方式、交换路由方法等诸多技术难题，是目前该领域关注的热点。此外，用户终端通过微波链路接入卫星互联网，需要微波链路与激光链路之间的汇集和分发，也是迫切需要研究解决的重点难点问题。
卫星互联网 低轨星座 星间激光通信链路 传输 交换 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706005
1 长春理工大学光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，光电测控技术研究所，吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
3 长春理工大学中山研究院，广东 中山 528400
太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）是检测物质组成和变化的先进科学装置，可以准确定位和分析物质的微小变化，对物理学、化学、生物学等多个学科的发展产生了深远影响。光纤式THz-TDS在光路传播时具有能量传输损失少、结构紧凑等优点。在光纤式THz-TDS的基础上，将双透镜和旋转延迟线结合，通过研究分析耦合效率理论和双透镜传输特性，利用光学软件ZEMAX设计了一款双透镜准直耦合收发一体共光路系统。为了得到更高的单模光纤耦合效率，研究分析了激光与光纤的耦合原理及耦合误差，并且绘制了耦合失配时的效率曲线。研究结果表明：高斯传播单模光纤的耦合效率达到了76.27%，可以满足稳定辐射太赫兹信号的要求，同时，光纤耦合效率的提高对于增大THz-TDS的太赫兹脉冲信号带宽具有一定帮助。
光纤光学 光纤耦合 收发一体 太赫兹时域光谱系统 单模光纤
1 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，吉林 长春 130022
2 长春理工大学中山研究院，广东 中山 528437
3 深圳市杰普特光电股份有限公司，广东 深圳 518110
针对传统高功率光纤激光器焊接不稳定、飞溅量大、难以实现精密焊接的问题，设计了一种光斑可调的信号合束器，首次以50 μm/70 μm/600 μm/620 μm/660 μm大芯径环形双芯光纤作为输出光纤，基于光束非相干合成技术，通过RSoft软件对合束器进行了模拟仿真，分析了其模场变化情况，设计的合束器满足绝热拉锥以及亮度守恒两个原则，调控拉锥比（）使其可以实现中心和外环独立工作。采用套管法将7根25 μm/250 μm光纤耦合到一起形成熔锥光纤束，再将其与输出光纤进行熔接，制成了高功率大芯径环形光斑可调信号合束器。此光纤合束器的传输效率≥98%，中心光束质量因子（M2）仅为1.76，此时中心端口输出功率为3.036 kW。而后对合束器进行了耐环境测试，合束器在低温与高温下表现出的传输特性良好。将该光斑可调的环形光斑信号合束器应用到激光器中，通过调节中心和外环激光功率，可以在任何温度环境下实现超高速焊接，为激光复合焊接提供了一种新途径。
激光器 光纤合束器 熔锥光纤束（TFB） 传输效率 光束质量 环境可靠性
1 桂林电子科技大学信息与通信学院广西高校微电子器件与集成电路重点实验室，广西 桂林 541004
2 桂林电子科技大学光电工程学院，广西 桂林 541004
提出一种偏振不敏感且高选择性的新型纳米结构颜色滤波器。当平面光入射到超材料表面时，金属与介质交界处会发生表面等离子体共振和光学异常透射现象，部分频率的光被束缚在微纳结构中，而其他频率的光发生透射，从而实现滤色效果。采用时域有限差分法，对4种不同结构的滤波器的透射光谱和颜色显示规律进行研究。同时，还研究了结构周期、圆环直径、十字架宽度和偏振角等参数对透射光谱和滤波特性的影响。结果表明：与单层表面等离子结构相比，所提双层等离子体亚表面结构模型的透射率更高；在可见光波段内，该滤波器具有偏振不敏感特性，半峰全宽的最小值为23.26 nm，并且具有90.5%的高透射率。这项研究为下一代颜色滤波器的设计提供了理论参考。
表面光学 高传输效率 偏振不敏感 高选择性 双层等离子体 可见光
1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
2 电磁空间安全全国重点实验室，天津 300308
硫系玻璃作为一种优秀的红外材料，具有透过范围广、物化性能稳定、易于成纤等特点，是制备红外传能光纤的理想材料之一。从硫系玻璃吸收损耗抑制和散射损耗抑制两方面入手，采用气（氯气）/气（玻璃蒸汽）、固（铝）/液（玻璃熔液）化学反应除杂方式降低光纤吸收损耗，建立了三维激光显微成像系统，检测玻璃及光纤内部的微米和亚微米量级的缺陷，优化制备工艺降低光纤散射损耗，制备出损耗为0.087 dB/m（@4.778 μm）的硫系玻璃光纤。分别利用光纤激光器（波长为2.0 μm）和双波长输出的光学参量振荡器（OPO）激光器（波长为3.8 μm 和4.7 μm）进行激光传能实验，在单模光纤和多模光纤中分别实现了6.10 W（@2.0 μm）和6.12 W（@3.8 μm和4.7 μm）激光传输。
材料 红外光纤 硫系玻璃 超低损耗 激光传输 激光损伤
