近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院杨佳苗副教授团队在强散射环境中的光场全维度高精度调控上取得重要进展，相关成果以“Spatial full degree-of-freedom scattered optical field modulation”（空域全维度散射光场调控）在光学领域国际著名期刊《Laser & Photonics Reviews》上发表。

1 研究背景

透过皮肤等生物组织直接观察病变细胞，透过雾、海水等传递无损光学信息，这些介质“光学透明化”一直是人们追求的目标。但是，介质中存在强烈的散射效应，光束的振幅、相位和偏振多维度信息会随着传播而增加随机畸变，这几乎扼杀了传统光学技术实现这一目标的可能。散射光场调控技术的出现使这种不可能变成了可能，该类方法通过操控入射光束的高自由度信息，精确规划光子在散射介质中的传播路径，可以最有效地补偿散射光学畸变，进而赋予介质“光学透明化”的潜力。然而，现有散射光场调控方法往往不能提供期望的补偿精度，且调控性能严重依赖介质的散射特性，不具备在不同散射环境中均能生效的鲁棒性。主要原因是这些方法仅能实现对光场部分维度信息的调控，而其余维度信息失控，导致高随机性散射畸变依然存在。

2 创新成果

针对调控维度不完整的问题，杨佳苗团队提出了空域全维度散射光场调控新方法。相较于以往研究中的标量模型，该方法采用全维度矢量传输矩阵模型，增加光场散射变换过程的表征精度。在实现过程中，该方法用两个高速数字微镜阵列，在正交极化方向上独立地调控两个入射子光场复振幅，随后逐像素地将两个子光场合并，巧妙地解决了现有空间光调制器无法同时控制振幅、相位和偏振的问题。

空域全维度散射光场调控原理图

该研究使散射光场的调控精度得到大幅提高，在光透过强散射介质后生成的高对比度聚焦光斑，其聚焦光斑和背景散斑的强度比值达1000多。另外，还可以构造出多焦点组成的全息字母图案，每个图案具有独特的偏振态。研究成果对生物医学治疗与成像、全息显示的发展具有重要推动作用。

高对比度抗散射光聚焦与多焦点全息显示

同时，得益于入射光场全维度信息的主动调控，该方法摆脱了对散射介质退偏特性的依赖，在各种散射条件下都展现出了优秀的适用性，如下图所示，实验实现了针对不同退偏特性散射环境的矢量涡旋光束偏振分布与光学轨道角动量的同时控制。研究成果有望成为光操控和抗散射自由空间光通信的潜在解决方案。

矢量涡旋光束的偏振分布与轨道角动量控制

3 研究团队

上海交通大学电院感知学院博士生丁春旭和邵荣君助理研究员为共同第一作者，杨佳苗副教授为通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金委等项目的资助。

杨佳苗团队长期致力于光学检测/成像、光场调控、光计算等方面的科学研究，以及相关智能光电仪器设计、制造、集成等技术研发，在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Light Sci. Appl.、Optica等发表高水平学术论文50余篇。