无失真的结构光

现代光学中一个令人兴奋的前景是利用光的图案 - 光在其许多自由度下的外观 - 通常被称为“结构光”。每个不同的模式可以形成用于光通信的编码字母表，或者可以在制造中用于提高性能和生产力。不幸的是，光的图案在通过嘈杂的通道时会失真，例如，应力光纤，像差的光学器件，浑浊的活组织，也许还有一个非常严重的例子，空气中的大气湍流。

在所有这些示例中，扭曲的模式可能会恶化到输出模式看起来与输入完全不同的程度，从而抵消了好处。正如Advanced Photonics报道的那样，南非的研究人员已经展示了如何找到无失真的光形式，这些光来自与它们被放入完全相同的嘈杂通道。以大气湍流为例，他们表明，这些特殊形式的光，称为特征模态，甚至可以在非常复杂的通道中找到，不失真，而其他形式的结构光将无法识别。

让光穿过大气层在许多应用中至关重要，例如自由空间光学、传感和能量传输，但事实证明，找到如何最好地做到这一点具有挑战性。传统上，试错法被用来在某些特定的嘈杂通道中找到最强大的光形式，但迄今为止，随着介质变得越来越嘈杂，所有形式的熟悉的结构光都被证明是扭曲的。原因是光可以“看到”失真。

但是，是否有可能创造出看不到失真的光，就像它不存在一样穿过?为了取得这一进展，研究人员将噪声通道视为数学算子，并提出了一个简单的问题：什么形式的光对这个算子是不变的?换句话说，处于通道自然模式的光波表现得好像它们没有看到失真：通道的真实特征模式。

所处理的例子是由于大气湍流造成的严重扭曲。这个问题的答案揭示了以前未被识别的光形式(即，那些不属于任何众所周知的结构光家族，但对介质完全健壮的光)。这一事实在弱湍流和强湍流条件下得到了实验和理论的证实。

根据通讯作者，约翰内斯堡金山大学SPIE研究员和杰出教授Andrew Forbes的说法，“这项工作令人兴奋的是，它开辟了一种研究复杂系统中复杂光的新方法 - 例如，通过光纤，水下通道，活组织和其他高度像差的系统传输经典和量子光。

他补充说：“由于特征模态的性质，这种介质有多长，或者扰动有多强并不重要，因此即使在传统纠正程序(如自适应光学)失败的状态下，它也应该能很好地工作。

在复杂介质中保持结构光的完整性将为未来通过噪声通道成像和通信的工作铺平道路，当光的结构形式是脆弱的量子态时，这一点尤其重要。

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