研究過(guò)程中捕捉的時(shí)序光強(qiáng)分布圖像顯示(左圖為初始光場(chǎng)，右圖為經(jīng)無(wú)引導(dǎo)優(yōu)化的光場(chǎng))，優(yōu)化后的光場(chǎng)時(shí)間波動(dòng)顯著降低。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新方法，可以使光束在動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)(如湍流大氣或活體組織)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳輸。

埃克塞特大學(xué)David Phillips教授和Simon Horsley教授領(lǐng)導(dǎo)的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)，展示了如何通過(guò)精心設(shè)計(jì)光束形態(tài)，使其在傳播過(guò)程中不受介質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響。這項(xiàng)突破性技術(shù)有望為更高分辨率的生物醫(yī)學(xué)成像和光通信系統(tǒng)中更快速的數(shù)據(jù)傳輸鋪平道路。

相關(guān)研究論文為《Threading light through dynamic complex media》為題目，發(fā)表于《自然·光子學(xué)》期刊上。

當(dāng)激光束照射運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，光的散射方式會(huì)隨時(shí)間改變。這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)成像和光數(shù)據(jù)傳輸造成干擾，因?yàn)榻橘|(zhì)運(yùn)動(dòng)可能破壞光載信息的完整性。

這正是我們觀測(cè)到星光閃爍的原因——地球大氣層對(duì)星光的散射方式持續(xù)變化所致。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)在任何時(shí)刻都同時(shí)存在運(yùn)動(dòng)快慢不同的區(qū)域。這一關(guān)鍵觀察成為整個(gè)研究的起點(diǎn)。

Phillips教授解釋道："挑戰(zhàn)在于，我們無(wú)法預(yù)知湍流大氣或活體組織等散射介質(zhì)中這些快慢區(qū)域的分布。因此我們致力于開發(fā)能自動(dòng)定位最穩(wěn)定區(qū)域，并優(yōu)先引導(dǎo)光束通過(guò)這些通道的技術(shù)。"

為尋找這些隱藏的穩(wěn)定通道，研究人員采用了受人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練啟發(fā)的優(yōu)化方法。這種智能算法能快速篩選海量可能性，鎖定最優(yōu)解決方案。團(tuán)隊(duì)將該技術(shù)應(yīng)用于激光束形態(tài)優(yōu)化，通過(guò)介質(zhì)傳輸實(shí)驗(yàn)快速篩選出時(shí)間波動(dòng)最小的光束構(gòu)型。優(yōu)化后的光束成功規(guī)避了介質(zhì)的快速運(yùn)動(dòng)區(qū)域，集中于靜態(tài)或緩慢移動(dòng)的穩(wěn)定區(qū)域。

無(wú)引導(dǎo)優(yōu)化

物理伴隨優(yōu)化

時(shí)間平均傳輸矩陣

Phillips教授表示：“實(shí)際效果遠(yuǎn)超預(yù)期，這項(xiàng)技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊應(yīng)用前景，令我們倍感振奮。”目前研究團(tuán)隊(duì)正在探索如何將該技術(shù)應(yīng)用于改進(jìn)光通信系統(tǒng)和柔性顯微內(nèi)窺鏡。

該國(guó)際合作項(xiàng)目由英國(guó)埃克塞特大學(xué)Phillips教授"結(jié)構(gòu)光研究組"主導(dǎo)，并與法國(guó)雷恩大學(xué)Philipp del Hougne博士團(tuán)隊(duì)合作完成。

審核編輯 黃宇