一种精确测量随机光场相干结构的技术

图 1. 随机光场的复杂光学相干结构的生成（第1部分）和测量（第2部分）实验装置示意图。图片来源：Compuscript Ltd

       光学操纵和应用涉及众多领域，如物理学，信息学，材料学和生命科学等，已被列入国家“十四五”重大工程和项目规划。为更好地促进光束的操作和应用，开发光学参数（如强度、相位、偏振和频率等）的精密测量技术是至关重要的，也是一个有吸引力的课题。与全相干光束相比，被视为动态随机光场的部分相干光束在复杂环境中具有鲁棒性，随机光场的振幅和相位都会随时间随机波动。值得注意的是，有价值的信息嵌入在随机光场的统计特性中，作为二阶统计参数的随机电场的光学相干结构可以决定光束的演化行为、远场强度分布和光物质相互作用。

       到目前为止，具有特定光学相干结构的随机光场已在相干层析成像、鬼成像、超分辨率成像和自由空间光通信等领域得到应用。最近，还提出了使用随机光的相干结构作为高安全加密和远场鲁棒成像的信息载体。光学相干结构相关研究的快速发展对光学相干结构的精确测量提出了更高的要求。光学相干结构作为一个复杂的函数，为了完全恢复它，我们必须同时精确测量它们的实部和虚部（或振幅和相位）。传统上使用杨氏双缝干涉实验测量光学相干结构，其中干涉条纹的可见度和位置可以分别用来预测幅度和相位。然而，这个实验只考虑了两个位置点。

       完全表征光学相干结构需要独立扫描光束平面上的每个点，这需要大量的时间和精力。前人已经提出了一些改进这个实验的方法，例如波面折叠干涉仪、相空间方法和自参考全息术、汉伯里·布朗及特维斯效应（HBT）效应和广义HBT效应已经被开发用于测量光学相干结构。这些方法涉及复杂的、易受误差和振动影响的装置，或者仅限于高斯光学统计。尽管已经付出了很大的努力，但测量复杂的光学相干结构仍然是一个开放而巨大的挑战。

       近日，山东师范大学蔡阳健教授研究团队提出了一种稳定、方便、快速的解决方案，通过广义泊松光斑实验精确测量随机光场的光学相干结构。它有严格的数学解决方案，这种方法只需要将被遮挡的随机光束的远场强度捕获三次，适用于任何光学相干结构，无论它们的类型和光学统计学。

图2. 测量受高斯光学统计影响的随机光束的相干结构。图片来源:Compuscript Ltd

       通过这种方法实现了相干结构实部和虚部的模拟和实验结果。与理论结果相比，模拟结果和实测结果的结构相似度SSIM均高于0.98，这充分证明了所提方案的有效性和准确性。此外，他们还对具有非高斯光学统计的谢尔模型源和非谢尔模型源进行了测量，这篇文章给出了相关结果，证明了该方法与随机光束的光学统计和光束类型无关。

       利用这种方案，他们还实现了随机光场的动态光学图像加密和解密，其中随机光束的相干结构函数被用作信息载体。一幅动态（移动和旋转）光学图像“OES”被加密到具有密钥的相干结构中。在实验室中，可以解密理想的20fps视频。这项技术在光学信息加密、轨道角动量测量、光通信等领域具有潜在的应用前景。这项研究成果已经发表在《Opto-Electronic Science》杂志上。

      消息来源：https://phys.org/news/2023-03-precise-technology-optical-coherent-random.html

      [1]Xin Liu et al, Measurement of optical coherence structures of random optical fields using generalized Arago spot experiment, Opto-Electronic Science (2023). DOI: 10.29026/oes.2023.220024