基于热光效应调控的动态散斑生成技术及其在光学操控中的应用研究

研究人员针对动态随机散斑生成中波动时间难以精确调控的问题，通过设计热光胶体悬浮系统，利用折射率匹配和温度调控实现了散射强度(l*/L)的可控调节。该研究在光纤传输系统中验证了散斑波动时间(τ)在10-100 ms范围内的线性调控，为光学微操控和随机数生成提供了新型动态散射平台。成果发表于《Optics and Lasers in Engineering》，解决了传统机械调制方法在低速时统计独立性不足的难题。

　　

在光学研究领域，动态散斑作为一种特殊的干涉现象，其时空特性调控一直是重要挑战。传统基于压电陶瓷或旋转散射体的机械调制方法存在固有缺陷：高速调制时虽能抑制散斑但难以保证统计独立性，低速时又因周期性扰动导致模式相关。更关键的是，这些方法无法实现波动时间(τ)的连续精准调控，而这一参数恰恰是光学微操控、生物细胞动力学研究等领域的关键变量。

针对这一技术瓶颈，研究人员创新性地提出利用热光效应调控体积散射特性的解决方案。通过精心设计聚苯乙烯(PS)颗粒与匹配液组成的胶体悬浮系统，在折射率匹配点(n_p≈n_m)附近构建温度敏感的散射环境。当温度变化时，系统可经历无散射(l_s?L)、单次散射(l_s≈L)和多重散射(l_s?L)三种状态的可逆转换，从而通过热力学参数直接调控散斑波动动力学。

研究采用多模光纤-单模光纤的传输构型进行验证。多模光纤输入端产生静态散斑场，经充满胶体悬浮液的二氧化硅套圈(长度L=1-10 mm可调)散射后，由单模光纤收集动态散斑信号。通过功率谱分析提取特征波动时间τ=(2πf_c)^-1，发现其随温度变化呈现对称性响应，在20-60°C范围内实现τ从100 ms到10 ms的线性调控，动态范围达一个数量级。特别值得注意的是，即使接近折射率匹配条件(40°C)，系统仍保持约12%的散射波动，这归因于PS颗粒分子量分布导致的残余折射率差异。

关键技术方法包括：1) 溶剂置换法制备热光胶体悬浮液(PS颗粒半径a=250 nm，匹配液Cargille AA系列)；2) 基于Mie理论计算散射效率Q_s与温度的关系；3) 双光纤传输系统结合洛伦兹谱分析测量动态散斑波动特性；4) 通过Peclet数(Pe≈4×10^-4)验证扩散主导的颗粒运动机制。

研究结果部分显示：

1. 散射强度调控：动态光散射(DLS)证实散射能量在折射率匹配点最小，但未完全消失，符合PS分子量分布理论预测。
2. 几何尺寸效应：固定温度下，τ∝L^-0.29，符合弱多重散射理论预期，区别于单散射(τ∝L⁰)和强散射(τ∝L^-2)的特征。
3. 热光协同调控：通过(l/L)因子实现τ的双重调控，其中l=l_s/(1-g)为输运平均自由程，g为各向异性因子。

结论部分强调，该工作首次将热光效应拓展至动态体积散射调控领域，相比传统方法具有三大优势：1) 无需机械移动部件即可实现10-100 ms范围的τ精确调控；2) 布朗运动保证任意速率下的统计独立性；3) 光纤兼容设计便于系统集成。在光学微操控领域，该技术的时间尺度与细胞膜波动(10-100 ms)等生物过程天然匹配；在信息安全领域，其空间-时间双重随机特性为真随机数生成提供了新思路。未来通过优化颗粒单分散性，可进一步扩大调控动态范围，推动散射光子学与热光调控的交叉创新。