【清华大学】提出稳态光学涡旋光束，实现湍流下稳健传输与扩展景深

融合稳态光束与轨道角动量的结构光新方案 🌪️✨

开篇｜研究背景与成果概述

携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束因可提供高维度信息编码能力，在光通信与成像领域展现出重要潜力。然而，其螺旋相位结构对湍流极为敏感，易在传播过程中产生严重畸变，限制了实际应用。清华大学精密仪器系研究团队提出一种稳态光学涡旋光束（Steady Optical Vortex Beam, STOVB），通过将稳态光学光束（STOB）的横向波矢消除机制与涡旋光束的OAM特性相结合，实现了扩展景深与湍流下稳健数据传输的统一。实验结果表明，在中等强度湍流条件下，STOVB的时间强度波动较传统高斯涡旋光束降低了 17.6%，展示出显著的抗扰动能力。

技术创新｜稳态光束与涡旋模式的算符融合 📐

研究从算符视角出发，将涡旋模式视为对高斯光束施加螺旋相位的算符操作，并引入基于横向波矢消除理论的结构光算符，对径向强度分布进行重构。通过将两类算符统一为单一结构涡旋算符，研究团队在理论上构建了STOVB的解析表达式，使光束在保持OAM信息编码能力的同时，显著抑制传播过程中的径向扩散。

在实验实现上，研究采用液晶空间光调制器（SLM）加载相位全息图，实现STOVB的灵活生成。该方法无需依赖特定湍流信道特性，具有良好的通用性，并支持不同拓扑荷数的动态切换，为多通道并行传输提供了自由度。

实验结果｜扩展景深与传播稳定性验证 📊

图1 稳态光学涡旋光束的模式变换模型及其在湍流中的稳定传播示意

通过数值模拟与实验测量，研究系统比较了高斯涡旋光束（GVB）与STOVB在自由空间中的传播行为。结果显示，STOVB具有明显减小的束散角，其瑞利距离达到 350 mm，几乎是GVB（180 mm）的两倍，表明其具备更长的有效聚焦距离和更稳定的空间分布。

图2 不同传播距离下STOVB与GVB的实验横截面强度分布对比

实验结果与理论预测高度一致，验证了STOVB在扩展景深方面的优势，为成像和通信中对焦容限受限的应用场景提供了新的解决思路。

湍流环境下的数据传输性能 🌊

图3 水槽湍流实验及不同光束的时间强度波动对比

在模拟湍流实验中，研究团队利用水槽与温度梯度构建可控折射率扰动环境，并通过Rytov方差和Fried参数量化湍流强度。结果表明，在

、

条件下，STOVB的时间强度起伏显著小于GVB，表现出更好的光束完整性。

进一步的模间串扰分析显示，在多拓扑荷并行传输条件下，STOVB在解调后保持近似对角的串扰矩阵，而GVB出现明显模态混叠，说明STOVB在保持模态正交性方面具有明显优势。

结语｜结构光抗湍流设计的新方向

该研究提出的稳态光学涡旋光束，在不依赖复杂自适应光学系统的前提下，实现了扩展景深与抗湍流传输能力的同步提升。相关成果为复杂环境中的光通信、高分辨成像及结构光调控提供了新的设计范式，也为OAM光束在实际应用中的稳定性问题提供了可行解决方案。

参考文献

Yang, Y., Cao, L., Tan, Y. and Sun, H., 2025. Steady optical vortex beam enables extended depth of focus and robust data transmission in turbulence. Optics and Lasers in Engineering, 188, p.108889.