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模式——光在多个自由度下的样子——通常被称为“结构光”。每一种不同的图案都可以形成一个用于光通信的编码字母表，或者可以用于制造业以提高性能和生产力。不幸的是，当光线穿过有噪声的通道时，它们的模式就会扭曲，例如，受压的光纤、畸变的光学系统、浑浊的活体组织，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，扭曲的模式可能恶化到输出模式与输入模式完全不同的地步，从而抵消了好处。正如《先进光子学》杂志报道的那样，南非的研究人员已经展示了如何找到无失真形式的光，这些光从嘈杂的通道中出来，与它们被放入的通道完全相同。以大气湍流为例，他们证明了这些被称为本征模的特殊形式的光，甚至可以在非常复杂的通道中找到，它们没有失真，而其他形式的结构光则无法识别。

当光线通过大气等嘈杂通道时，它会失真，但存在复杂形式的光，它们不会失真，因此输出模式与输入相同。

在自由空间光学、传感和能量传递等许多应用中，让光线穿过大气层是至关重要的，但如何做到这一点一直是一个挑战。传统上，一种试错的方法被用于在某些特定的噪声通道中寻找最强大的光形式，但到目前为止，所有形式的熟悉的结构光都显示出随着介质变得越来越嘈杂而扭曲。原因是光可以“看到”扭曲。

但是有没有可能创造出一种看不到扭曲的光，就像扭曲不存在一样穿过呢?为了取得这一进展，研究人员将噪声通道视为一个数学算子，并提出了一个简单的问题:哪种形式的光对这个算子是不变的?换句话说，处于通道自然模态的光波表现得好像它们没有看到扭曲:通道的真实特征模态。

讨论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认识的光的形式(即那些不属于任何已知的结构光家族，但对介质完全健壮的光)。这一事实在弱和强湍流条件下得到了实验和理论的证实。

根据通讯作者、SPIE研究员、约翰内斯堡金山大学特约教授Andrew Forbes的说法，“这项工作令人兴奋的地方在于，它为研究复杂系统中的复杂光开辟了一种新方法，例如，通过光纤、水下通道、活体组织和其他高度畸变系统传输经典光和量子光。”

他补充说:“由于本征模的性质，这种介质有多长并不重要，也不重要扰动有多强，因此即使在传统的校正程序(如自适应光学)失败的情况下，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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