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西安交大科研人员在随机散斑光场调控研究领域取得新进展

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当激光从粗糙表面,诸如纸或者墙面上反射时,注视着反射光的观察者会看到尺寸细微的复杂颗粒图样,这种颗粒结构被称为“散斑”,其来源于反射表面的随机粗糙特性。通常,这些散斑光场的振幅空间分布满足瑞利统计,并且随着光场的传播(即衍射)会发生明显的变化。

在之前的研究工作中,人们能够相互独立地调控散斑光场的统计性质或衍射性质。通过调控产生散斑的粗糙表面上不同面元之间的关联,可以使得光场的振幅满足非瑞利统计分布,这种散斑被称为“非瑞利统计散斑”,如图1(a)所示。但是这种散斑的非瑞利统计分布只能存在于特定的传播位置,无法在较长的一段传播距离内保持;也可通过调控产生散斑的粗糙表面的形状,使得散斑光场在较长的一段传输距离内保持相同的空间强度分布,这种散斑被称为“无衍射散斑”,如图1(b)所示。但是这种散斑的统计分布无法被调控,所得到的散斑光场振幅始终满足瑞利统计分布。实现对散斑光场统计性质和衍射性质的同时调控一直是一个科学难题。

西安交大李福利教授团队及其合作者首次提出了一种可以实现散斑光场统计与衍射性质同时调控的方法。首先利用一个形状为环形振幅分布的模板对随机相位屏进行滤波,在该模板的远场可以得到无衍射散斑;在此基础上,打破相位随机分布的独立性,引入相位屏不同面元之间的关联,使其满足中心反对称分布,就可以在随机相位屏的远场得到无衍射的非瑞利统计散斑,从而使散斑在传播过程中保持空间强度分布和非瑞利统计特性,如图1(c)所示。进一步对环形模板表面的相位分布进行优化设计,成功实现了同时具有非瑞利统计分布特性和无衍射特性散斑光场的调控。

无衍射非瑞利散斑的诸多特性使得其在原子物理、量子输运和光学成像等领域有广泛的应用。该散斑在空间内可以构成一个统计性质可调的随机波导阵列,这种波导阵列为基于冷原子的量子模拟提供有效的光学操纵手段;散斑的无衍射特性和高对比度也可以被用于关联成像,从而同时提高关联成像的景深和对比度。利用这种新型的无衍射非瑞利散斑,作者进一步研究了其在安德森局域化方面的应用,发现这种新型的散斑可以被用于研究光局域化,其统计性质可以有效增强光局域化,为安德森局域化现象的研究提供了新方法。

上述成果以“非瑞利无衍射随机散斑光场调控”Generation of Non-Rayleigh Nondiffracting Speckles”)为题于10月26日发表在物理学顶级期刊 《物理评论快报》(Physical Review Letters上。西安交通大学物理学院是第一完成单位,西安交通大学物理学院刘瑞丰副教授为文章第一作者,2017级物理实验班本科生庆秉承完成了散斑光场调控的实验和数值模拟工作,为该文章共同第一作者,通讯作者为陈守谦教授和李福利教授。该研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等资助。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180601

2021-11-05
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