深圳大学范滇元院士团队：动态散射体系中实现OAM介导信息的有效提取 | 前沿进展

近日，深圳大学范滇元院士、刘军副教授、马瑞助理教授领衔的研究团队，在动态散射体系下轨道角动量(OAM)介导信息提取研究中取得重要突破。团队通过系统的理论分析与实验验证，将OAM结构关联机制从传统静态散射介质拓展至更复杂的动态散射场景；首次发现偏振OAM依赖散斑的强度互相关不受散射动态特性影响，可作为对抗复杂随机散射的有效信息载体，并实现OAM介导信息透过动态散射介质的精准提取。研究分别以不同转速的旋转毛玻璃、自发无序的SiO₂悬浮液为典型动态散射模型完成实验验证。相关成果以“Orbital-Angular-Momentum-Mediated Information Extraction From Dynamic Scattering”为题，发表于Laser & Photonics Reviews, 2025, e00978。

传统光学编码信息的有效传输高度依赖弹道光子提取，但光散射效应在自然与人工环境中普遍存在。携带信息的光束透过强散射介质后会迅速退化为随机散斑，如何从时空散斑光场中恢复初始编码信息，成为光通信、成像与遥感领域的核心挑战。近年来，光学记忆效应、相位恢复、波前整形等技术已被证实可显著提升散斑光场的智能信息提取能力；而轨道角动量（OAM）凭借模式多样性、正交性及理论上无限的信道容量，为复杂散射环境下光信号传输容量的突破提供了新路径。因此，深入研究OAM模式透过散射介质的传输与信息提取机制具有重要意义，其关键在于基于OAM依赖散斑实现模式精准识别与高效解复用。当前主流技术（如散射透射矩阵测量、深度学习等）需建立输入光场与输出散斑的映射关系，但存在测量耗时久、计算负担重等局限。近期，基于OAM依赖散斑强度互相关的技术路线脱颖而出，仅需一片散射介质和一台相机即可实现OAM模式精准识别和高效解复用，具有装置简单、校准便捷、识别能力强等优势。

然而，现有技术大多局限于毛玻璃、多模光纤等静态散射介质，仍停留在概念性研究阶段。事实上，云、雾、生物组织、悬浮胶体等自然场景中的动态散射更为普遍，其特征是介质折射率随时间与空间随机变化；驯服动态散射并从中提取编码信息，具有更强的实用性与普适性。在无需先验信息的技术路线中，散斑关联技术是消除随机散射影响的最优选择之一，但如何在复杂动态散射体系下保持并恢复OAM依赖散斑的关联性，仍是亟待解决的核心难题。

图1 正交偏振涡旋光束透过散射介质合束、散斑分离示意图

针对上述瓶颈，研究团队在前期静态散射介质OAM依赖散斑信息提取研究基础上，聚焦动态散射下的OAM依赖散斑的强度互相关特性，提出其强度互相关特性保留的关键前提——一对涡旋光束需源自同一光源以保持高相干性，且在相机同步捕获前经历完全相同的散射过程与传播路径。为满足这一条件，团队搭建马赫-曾德尔（MZ）干涉装置：将窄线宽激光光源分束为正交偏振的两路光束，经过DMD超像素波前整形生成偏振正交的线偏振涡旋光束；经PBS1合束后同向透过动态散射介质，再通过PBS2利用偏振特性分束，最终由两台相机在等效像平面同步采集偏振OAM依赖散斑（如图1所示）。同时，团队创新提出“散斑校准”方法作为评价透过随机散射系统双光束光路准直的参考指标（图1蓝色虚框）。

图2 透过快速旋转毛玻璃的偏振OAM依赖散斑强度互相关特性

图3 透过自发随机散射介质（SiO₂微球悬浮液）的偏振OAM依赖散斑强度互相关特性

团队首先以电动马达驱动的旋转毛玻璃为动态散射介质，通过调节马达电压改变旋转毛玻璃转速（控制动态散射强度），或固定转速调节相机曝光时间（控制散射过程累积）。快速旋转的毛玻璃会产生时变、不可重复的随机散射调制，导致不同瞬时采样的散斑关联性迅速退化，因此同步测量成为保留互相关信息的关键。实验中，团队对两台相机进行联调采样，结果如图2所示，无论是曝光时间固定为21 μs、毛玻璃转速从19.3 rad/s增至71.8 rad/s，还是转速固定为19.3 rad/s、曝光时间从21 μs增至100 μs，偏振OAM依赖散斑的强度互相关均呈现与原始涡旋光束拓扑荷差值相关的互相关环。在参考光束拓扑荷已知的前提下，可通过互相关环半径直接提取信号光束的拓扑荷信息，成功实现动态散射场景下OAM介导信息的有效提取。

为验证成果的普适性，团队进一步采用更贴近自然场景的自发随机体散射介质——分散于乙醇中的SiO2微球悬浮液（模拟雾、云、悬浮胶体等自然动态散射）。与旋转毛玻璃的定向表面散射不同，该体系呈现无主导方向的全方位体散射，更符合自然散射的纯粹随机性。实验通过调节相机曝光时间控制散射强度，结果如图3所示：当曝光时间从20 ms增加至100 ms，尽管偏振OAM依赖散斑强度逐渐饱和，其互相关域仍出现显著的互相关环，且未出现旋转毛玻璃中因散斑颗粒拉伸导致的互相关环退化现象。这一结果证实，无论动态散射强度强弱、曝光时间长短，偏振OAM依赖散斑的强度互相关环均不受动态散射影响，可作为对抗复杂动态散射的“不变信息载体”。

该研究直面传统光学技术中OAM信息透过动态散射传输的核心挑战，从理论到实验系统揭示了动态散射体系下OAM依赖散斑的关联特性，首次证实偏振OAM依赖的散斑互相关不受动态散射影响，为复杂散射环境中OAM介导信息的有效传递提供了全新解决方案，对大容量光通信、生物成像、遥感探测等领域具有重要指导意义，同时彰显了散斑强度互相关技术在信息提取中的巨大应用潜能。

研究工作在深圳大学范滇元院士指导下完成，深圳大学马瑞助理教授为论文第一作者，深圳大学刘军副教授为论文通讯作者，深圳大学为第一单位和通讯单位。其他合作者包括：美国迈阿密大学Olga Korotkova教授、深圳大学高等研究院贺劲松教授、电子科技大学张伟利教授、哈尔滨理工大学朱智涵教授，深圳大学硕士研究生王常凯对本论文实验部分具有重要贡献。该研究在国家自然科学基金委、深圳市科创局和广东省科技厅等项目资助下完成，在此一并表示感谢。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/lpor.202500978