南昌大学科研团队提出可定制轴向结构光生成新技术

研究背景：

贝塞尔光束是一种具有特殊特性的光束，其特征包括多个环形谐波、径向振幅和相位周期性，以及较长的焦深和较小的中央光斑。轴向结构光是贝塞尔光束的一种类型，已在光学微操纵、光学成像和光学捕获等领域得到广泛应用。然而，例如双锥透镜法等传统生成方法调控轴向结构光参数时需要同时重新部署硬件，难以满足实时动态应用需求，制约了轴向结构光在生物医学实时刺激等场景的应用。

导读：

近日，南昌大学信息工程学院的成像与视觉表示实验室研究团队提出了一种基于3D相位编码的可编程轴向结构光调制技术。该成果以“Programmable modulation of axial optical structured beams via 3D phase encoding control”为题刊登于光学领域老牌期刊Optics Communications。南昌大学本科生罗天磊、吕安之为共同第一作者，宋贤林副教授为通讯作者，刘且根教授对该研究给予了重要支持。

主要研究内容： 

近日，南昌大学研究团队针对传统轴向结构光调控灵活性不足的难题，提出了一种基于3D相位编码的可编程光学调制技术，成功实现光束周期与相位（0-2π范围）的精准控制。该方法摆脱了传统方法调控过程中对于硬件的依赖，生成光束的相位和周期参数完全取决于输入的全息图，同时所使用的系统具有易搭建，成本低的特点。该技术的核心创新在于采用层析法计算全息策略：首先生成具有预设周期和相位的链式余弦强度图，沿深度方向切片获得多层样本；随后基于菲涅尔衍射原理计算各切片层对应的全息平面复振幅；最终通过复振幅叠加生成全息图相位信息。将相位信息加载至空间光调制器（SLM）后，成功在三维空间生成了目标光束结构。实验验证中，CCD拍摄的实际光束强度分布与模拟结果高度吻合，证实了该方法生成并调控轴向结构光的能力。 

图1.全息方法的流程图及实际系统的照片

研究团队采用基于菲涅尔衍射的S-FFT算法实现切片层到全息平面的高效计算，该方法的流程图如图1（a）所示，图1(b)则展示了所使用的全息成像系统。特别值得注意的是，光束形态调整仅需修改全息图而无需硬件重组，具备一定的灵活性。 

图2.目标笔形光束模拟及实验结果示意图

研究团队首先采用仿真验证了所搭建全息系统的聚焦调节能力。如图 2(c) 所示。实验结果表明，实际实验中光束呈现出明显的聚焦效应，如图2下部所示。在预设深度位置重建的目标笔形光束图像清晰锐利，而在失焦位置则观察到明显的模糊效应。这一系列实验验证了所构建的全息系统在聚焦调节方面的良好性能。 

图3.3D重建后的光束以及截面图

为了直观展示光束形态，研究团队对光束进行了3D重建，如图3所示。光束的空间形态表现为具有中央凹陷的半圆柱体特征，其凹陷位置与观测光束位置相吻合。通过对比分析光束在y-z平面和x-z平面的横截面形态与原始强度图，研究团队观察到生成光束的周期和相位特征与预期轴向结构光的设计参数相符。这一结果表明，所采用的方法具有产生目标光束的可行性。 

图4.实际的实验结果和仿真结果的对比图

图4所展示的实验与模拟结果的对比充分表明，该全息调制方法能够通过调整输入光强度图的周期和相位参数，精确构建三维空间中的目标轴向结构光场。其核心优势在于调制能力直接源自光束强度图的参数，为实现灵活、精确的轴向结构光调制提供了可靠的技术路径。该技术有望在光学操控、三维成像等领域发挥重要作用。

结论与展望：

本研究提出了一种基于计算全息技术的轴向余弦结构光动态调制方法。 该方法能够生成具有不同周期和相位的轴向余弦结构光，有效解决了传统调制方法复杂且灵活性不足的问题。

其核心原理如下： 首先，将不同参数的轴向余弦结构光强度图与深度信息结合进行切片化处理。其次，基于菲涅尔衍射原理计算各切片层的复振幅分布。然后，叠加所有切片层的复振幅以获得全息图的复振幅信息。最后，提取全息图的相位信息并输入空间光调制器（SLM），即可生成所需的三维轴向结构光强度分布。

实验结果表明，通过调整初始强度图参数，可以在三维空间中精确生成具有目标周期与相位的结构光束，验证了该方法在光束周期和相位调控上的可行性。与传统结构化光束生成技术相比，本技术的优势在于： 调整光束形态仅需修改全息图，无需进行硬件重组，因此具备极强的灵活性。这一特点使其在光神经刺激等对实时性要求极高的应用场景中展现出重大潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.optcom.2025.132214