编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设“观天测地”专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。
当光束在大气中传播时，受大气湍流的影响，光束质量会随着传播距离增加而急剧下降，降低各种激光工程系统的性能，严重制约了如激光通信、激光雷达等涉及激光大气传输的应用发展。以激光通信为例，当前光纤通信已经走进千家万户，而大气自由空间通信仍然停留在实验室阶段，其主要问题就出在大气湍流对激光传输的影响上。
什么是大气湍流
大气湍流是大气中的一种重要运动形式，它的存在使大气中的动量、热量、水汽和污染物的垂直和水平交换作用明显增强。在大气湍流的影响下，激光束在大气传输过程将存在光束抖动、强度起伏（闪烁）、光束扩展和像点抖动等现象。
抑制大气湍流对激光传输的影响，是目前各类型自由空间激光应用的世界性、瓶颈性难题，制约着激光通信、激光探测等几乎所有涉及激光束在大气中传输的应用发展。受大气湍流影响，自由空间激光通信信道易中断、可用度低，激光探测回波功率弱、探测距离受限，高能激光系统光斑畸变发散、到靶功率密度损耗严重。世界科学界一直渴望找到有效的湍流影响抑制机理和方法。
以中等大气湍流为例，光束质量因子M2为3的激光束传输1公里后，M2将退化为5以上，到靶功率密度不足初始功率密度的36%。世界科学界一直渴望找到有效的湍流影响抑制机理和方法。
开辟新方向：锋芒稳态光场抑制大气湍流
针对激光束抗大气湍流传输这一国际性难题，中国科学院空天信息创新研究院张泽研究团队联合南开大学提出并实现了“锋芒激光束稳态调控与鲁棒传输”技术，解决了静态调控抑制动态湍流影响、远距离变换和快速生成、高效率调制产生理论和工艺等基础性问题，在国际上开辟了锋芒稳态光场抑制大气湍流影响的新研究方向，获得了国内外学术界的广泛关注和认可。
图1. “锋芒激光束稳态调控与鲁棒传输”操控和机理示意图（a）及其在相同条件下的远程传输效果对比，（b）传统技术，（c）锋芒稳态技术
相同大气湍流条件下1公里处锋芒激光与高斯激光（传统技术）传输效果对比
提出新原理、新方法
研究团队在国际上首次提出了激光相干叠加消除横向波矢产生光场稳态的新原理、新方法，阐释了湍流通过引入随机横向波矢对激光束产生影响的深层次机理（如图2所示），并在此基础上，采用艾里光束阵列构建出了能在湍流介质中稳定传输的锋芒稳态光场。
图2. 激光束横向波矢相消机理仿真
自主研发调制器件
为克服复杂光场高效调制函数精确求解的学术难题和实用调制器制作的工程难题，满足实际应用需求，研究团队提出并发展了锋芒稳态光场调制函数精确求解方法，获得了调制器高精度模型参数，并研发出大尺寸锋芒稳态光束调制器件（如图3所示），器件调制效率超过90%，耐受功率超过 60kW/cm2，性能国际领先、实用性强。
图3. 锋芒稳态光场调制器设计原理与实物图。（a）艾里光束阵列构建锋芒稳态光场示意图，（b）锋芒稳态光场频域调制函数，（c）熔融石英调制器件实物图，（d）调制器件白光干涉显微图
实现稳态光场户外公里级传输
为了进一步实现稳态光场的户外远距离传输，研究团队根据锋芒稳态光场特殊变换规律，提出了采用“傅里叶对操控”实现锋芒稳态光场变换的总体设计思路，设计了大口径远距离变换和发射光路（如图4所示），在户外实况大气湍流中实现了公里级的传输（如视频1所示），验证了良好的远距离传输鲁棒性，相比国际公开的同类技术，传输距离提升了2个数量级以上。
图4. 远程光场变换系统及公里级锋芒稳态光场验证光路
可用且有效！
锋芒激光稳态调控技术的相关技术在2019年5月举办的CLEO会议上发布，其后被美国《应用物理快报-光子学杂志》（APL Photonics）录用发表，被称为“我国在激光抗大气湍流传输方面取得重要突破”。相关研究成果分别以 Pin-Like Optical Beams to Penetrate Turbulence 和 Tunable Pin-Like Optical Vortex Beams 为题，于 2019 年和2021 年两度入选了美国光学学会“光学与光子学新闻（OPN）”评选的世界光学年度标志性成果。
近年来，经国内外应用单位的深入探索表明，该技术在激光通信、无线充能等系统中可大幅提升能量接收率和信噪比，证实了该技术在多个激光应用领域具有广泛的有效性和可用性。
论文链接：https://doi.org/10.1063/1.5095996
来源：中国科学院空天信息创新研究院
