上海交大杨佳苗团队在散射光场调控准确理论建模上取得重要进展

　　

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团队在对散射光场调控的准确理论建模上取得重要进展，相关成果以“Full-polarization angular spectrum modeling of scattered light modulation”（散射光场调控的全偏振角谱模型）发表在光学领域国际著名期刊《Photonics Research》上。

研究背景

光作为信息观测、传递和编译的重要媒介，从追踪星体轨迹，到观察细胞结构，都扮演着不可或缺的角色。然而，大气、不透明生物组织等中存在的微小颗粒会使光偏离原本的传播方向，导致光场变得杂乱无序而形成散斑，从而严重阻碍了能量传输和信息传递。散射光场调控通过操控光的多维度信息，为人们提供了补偿这些散射畸变的强大手段，使光学信息可以无损地传递，已广泛应用于生物医学、光通信和显微成像等领域。然而，目前散射光信息传输物理模型准确性和完备性较低，限制了对实际应用的理论支撑能力：传统传输矩阵模型能够描述光信息经历散射前后的变化结果，但端到端的计算使模型丧失了对散射过程透明化解析的完备性，且受限于矩阵乘运算机制，计算规模难以提升，局限于少像素数的信息传输。

创新成果

全偏振散射角谱模型原理图

针对以上问题，杨佳苗团队提出了全偏振散射角谱模型。该模型将散射介质建模为一系列随机相移平面与自由衍射空间的交替组合，用随机琼斯矩阵模拟相移平面对光振幅相位和偏振各维度信息的散射扰动，用角谱法计算自由空间的衍射，实现极化光散射过程的物理建模。在模型中，分层处理散射介质赋予了散射过程解析的透明化；矩阵元素相乘代替矩阵乘法，避免了传输矩阵模型庞大计算量的问题；随机琼斯矩阵的引入又补全了角谱模型缺失的偏振计算维度。最终巧妙地为散射光场调控提供了一种准确且完备的理论模型。

高保真信息传输

模型的建立为多模光纤高保真信息传输提供了定性分析手段。多模光纤偏振信道往往存在串扰（去极化现象），影响数据传输的保真度，借助模型分析二者影响机制，发现全偏振调制（同时调制两个正交偏振方向上的复振幅分量）的抗串扰能力比单偏振调制更高，且在完全去极化情况下获得最高保真度。

抗散射光聚焦

该模型还提供了去极化现象对抗散射光聚焦对比度影响机制的分析手段。结果表明，全偏振调控在各种去极化条件下都能够获得最高对比度的聚焦光斑，特别是在完全去极化情况下光斑对比度比单偏振调控高出2倍。研究成果对散射光场调控在各领域的应用发展具有重要的指导价值。

研究团队

上海交通大学电院感知学院杨佳苗副教授为通讯作者，邵荣君助理研究员和博士生丁春旭为共同第一作者，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。杨佳苗以第一作者/通讯作者在Nature Communications、Science Advances（2篇）、Light: Science & Applications、Optica、Laser & Photonics Reviews等国际著名期刊发表高水平学术论文30余篇，研究成果被中央电视台“新闻联播”“美国物理联合会科学之光栏目”“世界科技研究新闻资讯网”“科技探索网”等报道。

论文链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.506787 

课题组网页：https://juopt.sjtu.edu.cn

作者：

电子信息与电气工程学院

供稿单位：

电子信息与电气工程学院