基于空间相干工程的稳健远场成像

中国山东师范大学、苏州大学和美国迈阿密大学的研究小组讨论了通过空间相干工程实现稳健的远场成像。相关言研究发表在《Opto-Electronic Advances》上。

图1，不同强度湍流大气中焦平面DOC模量的实验结果。T=0°C 代表自由空间情况。来源：Compuscript 公司

相干性作为光学物理各个领域的基础资源，在理解干涉、传播、散射、成像、光与物质相互作用以及从经典到量子光波场的其他基本特性方面起着至关重要的作用。在空间频率域中，空间相干特性由两点谱相干度（DOC）函数表征，该函数是交叉谱密度（CSD）函数的归一化版本。作为描述随机光场静态特性的基本属性，二阶空间DOC是部分相干光束（PCB）的基本自由度。与随机光场的振幅、相位和偏振态等一阶统计参数相比，PCBs具有抗湍流负效应和降低散斑噪声的能力，引起了学术界的广泛关注，因此，它们在自由空间光通信、激光材料处理、惯性约束聚变、光学成像和加密等领域有着重要的应用。

图2，大气湍流中空间相干工程的远场成像。 (a)-(c) 模拟结果； (d)-(f) 实验结果。来源：Compuscript 公司。

另一方面，由于光场的多自由度，通过光场操纵实现光信息的传输和恢复一直是光学领域的研究热点。现有研究表明，光场的一阶参数，如波长、振幅、相位、偏振态和轨道角动量，可以作为信息传输的载体。然而，当光场与物质相互作用时，尤其是在大气湍流、障碍物堵塞等复杂环境中，上述参数容易被环境的负面影响破坏，无法保证信息传输的可靠性。由于光束的二阶统计参数（即相干度）在复杂环境中表现出很强的稳定性，因此可以使用随机光场的DOC作为信息传输的载体。然而，由于光学衍射，DOC 不是传播不变的，这阻碍了它在需要光学信息传输和恢复的技术中的应用。PCB建模的一般问题尚未解决，因为PCB的DOC保持传播不变。

山东师范大学蔡阳建教授、中国苏州大学王飞教授和迈阿密大学Olga Korotkova教授组成的研究小组提出了一种基于空间相干工程的稳健远场成像方法。论文基于广义Van-Cittert-Zernike定理，首次将光学图像信息编码为随机光场的二阶空间DOC。作者提出，当由交叉相位（CP）施加的PCB在自由空间、近轴光学系统或湍流介质中传播时，其DOC获得与源平面中相同的分布。它保证了相干结构（或DOC）通过该相位的传播不变性。这种独特的传播特性被用于通过DOC进行远场成像的新协议中，适用于自由空间和湍流中的传输。基于强度相关定理，它们可以得到远场DOC的模。然后，作者采用Fienup的相位恢复（FPR）算法从文档中恢复编码图像。

所提出方法的优点是保密性和抗湍流性，以及对光束对准精度的较弱要求。实验结果表明，随机光场的空间DOC在经过热湍流后仍能保持其稳定的空间结构分布（图1），这为在复杂湍流环境下通过DOC高质量地恢复光学信息提供了可能。因此，实验和数值模拟结果表明，在复杂环境下，它们也可以通过DOC分布实现远场成像（图2）。结果表明，该方法具有良好的鲁棒性。此外，任何光学设备都不能直接检测到DOC 特性，这表明这种方法具有机密性。研究结果有望应用于湍流大气中的远程光信息加密、传输和通信。