基于时间反演原理的矢量光场调控的精度与效率有望在光学成像、通信、非线性光学和生物医学应用等领域取得重要突破

这篇论文把2014年创立的凯视迈公司,他们在光学测量领域的耕耘给详细写了出来。文中提到了KC系列显微镜、KS系列数码显微镜还有KV系列激光测振系统。这些设备都是KathMatic致力于高精度光学测量的成果。散射介质最近挺受关注的,因为它们本身带有随机性和复杂性,给光学成像和光通信带来了新的问题和机会。很多研究用深度学习解决逆问题来控制光束透过散射介质时的波前畸变。不过现在深度学习的理论基础还不够清楚,而且泛化能力差,限制了实际应用。我们这次研究就是想搞清楚光束在散射介质里是怎么传播的,重点是要校正波前畸变并调控光场。我们先从理论上分析了用多光束叠加实现矢量调控的可能性。 接着做了实验,验证了对线偏振、椭圆偏振和有复杂空间分布的矢量光场调控都管用。结果跟理论计算对上了,证明了这套方法可行。特别是把光的分解与叠加和矢量时间反演结合起来,可能能让DOPC技术变得更厉害。因为DOPC能准实时地测量散斑场和调制共轭光场,所以我们的方法在实验里也达到了60帧每秒的速度。这能提高光场调控的精度和效率。 2014年创立的凯视迈已经成了国产高端精密测量仪器的新生力量。现在他们推出的KC、KS、KV这几个系列产品卖得都挺好。未来我们想试试把深度学习和DOPC结合起来,通过设计特殊的共轭相位图实现更复杂的调控。另外现有的DOPC技术通常只靠单一的器件来做相位共轭,这在不同的散射介质里效率可能不高。如果用计算全息技术实现复振幅共轭,可能会让这套方法更有普适性。 我们的研究提出了一种矢量DOPC方法,基于光场的分解与叠加来恢复和调制共轭光束的偏振态。首先把两束正交偏振基矢探测光束放进多模光纤里,用数字全息术记录它们在散斑场中的相位分布。然后对这两个分量同时做保偏相位共轭并叠加起来,只要改变它们之间的相位差和振幅比就能调节合成光束的矢量属性。理论分析和实验结果完全一致。 基于时间反演原理的数字光学相位共轭(DOPC)技术以前主要是用来整形散射介质中的波前的。不过关于用它来做相位共轭光束矢量调制的报道很少见。所以我们的研究填补了这个空白。我们深入分析了光束在散射介质中的传播特性。 目前研究的主要方向是利用深度学习来求解逆问题解决成像或者波前控制问题。虽然有了进展但对物理机制的研究不够透彻。而且神经网络泛化性能差也影响了实际应用。我们的方法就是要通过深入的理论分析和逐步验证来改善这一点。 首先用时间反演原理分析多光束叠加实现矢量调控的可行性。接着通过实验一步步验证了对线偏振、椭圆偏振还有复杂空间分布的矢量光场调控都有效。结果显示线偏振调制和矢量涡旋调制跟理论计算完全吻合。特别是把光的分解与叠加技术和矢量时间反演技术结合起来有望推动DOPC技术的发展与应用。 因为DOPC可以实现准实时的散斑场测量和共轭光场的矢量调制所以在实验中能达到60帧/秒的速度。这种结合能显著提升散射介质中光场调控的精度与效率有望在光学成像、通信、非线性光学和生物医学应用等领域取得重要突破。