特殊相干结构光束大气湍流传输及其在光学成像中的应用

As an important degree of freedom in optical field, coherence structure has attracted wide attention of researchers both at home and abroad in recent years. In this project, we start from the research on the modulation of the coherence structures of partially coherent beams, and then investigate the propagation of such beams in atmospheric turbulence and the applications in target recognition and correlated imaging. We will carry out the research in the following aspects: first, we will investigate the fast and dynamic modulation methods for the coherence structures based on the random mode synthesis theory, second, we study the dynamic evolution behaviors of the coherence function, intensity distribution and phase of such beams propagation through atmospheric turbulence (especially for the anisotropic turbulence near the ground), then we further examine the evolution of the coherence structures in the atmosphere reflected by the target and detect of the coherence function of the backward beams, finally, we will study the influence of the coherence structures on the visibility and resolution of the object in correlated image system, and the potential method for improving the efficiency of the information recovery with the use of coherence structures. We believe this project not only enrich the optical coherence theory, but also provide theoretical and experimental support for the application of beams with special coherence structures in optical communication, lidar, optical imaging and other applications.

相干结构作为光场调控的一个重要自由度，近年来引起了国内外学者的广泛关注。本项目从研究部分相干光束相干结构调控原理出发，探索特殊相干结构光束在大气湍流中的传输特性及在目标识别和关联成像中的应用。主要开展以下几方面的研究：基于随机模式合成的理论探索光束相干结构的快速、动态调控方法；研究特殊相干结构光束在大气湍流(特别是近地面的各向异性湍流)传输后的相干特性、光强、相位等传输演化行为；特殊相干结构光束在大气湍流环境中经过目标物体反射后相干结构的演化、光束回波相干结构函数的探测；在湍流环境中，相干结构在关联成像中对物体成像分辨率和能见度的影响及利用相干结构调制提高信息获取效率的方法。通过本项目的研究，一方面丰富光场相干理论，另一方面为特殊相干结构光束在光通讯、激光雷达、光学成像等应用领域中的应用提供理论和实验依据。

对激光光场的振幅、相位、偏振和相干性等自由度有针对性的调控，产生具有特殊属性的光场，在光学微操控、光通讯、光学探测、成像等方面有重要的潜在应用。本项目以光场相干性调控为切入点，开展了如下研究：基于部分相干光场的随机模式叠加原理和伪模叠加原理， 探讨光场相干结构调控的手段和技术方法，在实验上，利用空间光调制器和数字微镜器件，搭建了实验光路系统，生成了几种具有特殊相干结构或者相位结构的部分相干光场；空间结构光场在各向同性/异性大气湍流中的各种参量的传输演化特性，包括轨道角动量谱、光强、光束扩展、相干性。空间结构光场在大气中来回程传输所产生的后向增强散射效应与相干长度和拓扑荷的关系；基于光场相干结构调控提升成像分辨率，突破瑞利衍射极限的原理和方案；以具有自修复特性的空间结构光场作为照明光源，降低湍流介质在关联成像中的负面影响，提高成像分辨率和能见度；基于光场相干结构为信息编码的图像传输原理及在大气湍流传输过程中的鲁棒传输特性。经过四年的探索和研究，已掌握了光场相干结构调控的基本原理和技术手段，取得了一系列研究成果，并拓展了部分相干光场在自由空间光通信、光学成像和探测等领域的潜在应用。截至目前，已经在国内外期刊发表学术论文40余篇，授权专利6项，参加国内外学术会议14人次，特邀报告4人次。学生培养方面，在项目执行期间，毕业硕士生6名，毕业博士生4名，目前在读博士生3人，硕士生4人。