研究背景：

貝塞爾光束是一種具有特殊特性的光束，其特征包括多個(gè)環(huán)形諧波、徑向振幅和相位周期性，以及較長(zhǎng)的焦深和較小的中央光斑。軸向結(jié)構(gòu)光是貝塞爾光束的一種類型，已在光學(xué)微操縱、光學(xué)成像和光學(xué)捕獲等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，例如雙錐透鏡法等傳統(tǒng)生成方法調(diào)控軸向結(jié)構(gòu)光參數(shù)時(shí)需要同時(shí)重新部署硬件，難以滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)用需求，制約了軸向結(jié)構(gòu)光在生物醫(yī)學(xué)實(shí)時(shí)刺激等場(chǎng)景的應(yīng)用。

導(dǎo)讀：

近日，南昌大學(xué)信息工程學(xué)院的成像與視覺表示實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于3D相位編碼的可編程軸向結(jié)構(gòu)光調(diào)制技術(shù)。該成果以“Programmable modulation of axial optical structured beams via 3D phase encoding control”為題刊登于光學(xué)領(lǐng)域老牌期刊Optics Communications。南昌大學(xué)本科生羅天磊、呂安之為共同第一作者，宋賢林副教授為通訊作者，劉且根教授對(duì)該研究給予了重要支持。

主要研究?jī)?nèi)容： 

近日，南昌大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)軸向結(jié)構(gòu)光調(diào)控靈活性不足的難題，提出了一種基于3D相位編碼的可編程光學(xué)調(diào)制技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)光束周期與相位（0-2π范圍）的精準(zhǔn)控制。該方法擺脫了傳統(tǒng)方法調(diào)控過程中對(duì)于硬件的依賴，生成光束的相位和周期參數(shù)完全取決于輸入的全息圖，同時(shí)所使用的系統(tǒng)具有易搭建，成本低的特點(diǎn)。該技術(shù)的核心創(chuàng)新在于采用層析法計(jì)算全息策略：首先生成具有預(yù)設(shè)周期和相位的鏈?zhǔn)接嘞覐?qiáng)度圖，沿深度方向切片獲得多層樣本；隨后基于菲涅爾衍射原理計(jì)算各切片層對(duì)應(yīng)的全息平面復(fù)振幅；最終通過復(fù)振幅疊加生成全息圖相位信息。將相位信息加載至空間光調(diào)制器（SLM）后，成功在三維空間生成了目標(biāo)光束結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，CCD拍攝的實(shí)際光束強(qiáng)度分布與模擬結(jié)果高度吻合，證實(shí)了該方法生成并調(diào)控軸向結(jié)構(gòu)光的能力。 

圖1.全息方法的流程圖及實(shí)際系統(tǒng)的照片

研究團(tuán)隊(duì)采用基于菲涅爾衍射的S-FFT算法實(shí)現(xiàn)切片層到全息平面的高效計(jì)算，該方法的流程圖如圖1（a）所示，圖1(b)則展示了所使用的全息成像系統(tǒng)。特別值得注意的是，光束形態(tài)調(diào)整僅需修改全息圖而無需硬件重組，具備一定的靈活性。 

圖2.目標(biāo)筆形光束模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖

研究團(tuán)隊(duì)首先采用仿真驗(yàn)證了所搭建全息系統(tǒng)的聚焦調(diào)節(jié)能力。如圖 2(c) 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中光束呈現(xiàn)出明顯的聚焦效應(yīng)，如圖2下部所示。在預(yù)設(shè)深度位置重建的目標(biāo)筆形光束圖像清晰銳利，而在失焦位置則觀察到明顯的模糊效應(yīng)。這一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所構(gòu)建的全息系統(tǒng)在聚焦調(diào)節(jié)方面的良好性能。 

圖3.3D重建后的光束以及截面圖

為了直觀展示光束形態(tài)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)光束進(jìn)行了3D重建，如圖3所示。光束的空間形態(tài)表現(xiàn)為具有中央凹陷的半圓柱體特征，其凹陷位置與觀測(cè)光束位置相吻合。通過對(duì)比分析光束在y-z平面和x-z平面的橫截面形態(tài)與原始強(qiáng)度圖，研究團(tuán)隊(duì)觀察到生成光束的周期和相位特征與預(yù)期軸向結(jié)構(gòu)光的設(shè)計(jì)參數(shù)相符。這一結(jié)果表明，所采用的方法具有產(chǎn)生目標(biāo)光束的可行性。 

圖4.實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的對(duì)比圖

圖4所展示的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的對(duì)比充分表明，該全息調(diào)制方法能夠通過調(diào)整輸入光強(qiáng)度圖的周期和相位參數(shù)，精確構(gòu)建三維空間中的目標(biāo)軸向結(jié)構(gòu)光場(chǎng)。其核心優(yōu)勢(shì)在于調(diào)制能力直接源自光束強(qiáng)度圖的參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)靈活、精確的軸向結(jié)構(gòu)光調(diào)制提供了可靠的技術(shù)路徑。該技術(shù)有望在光學(xué)操控、三維成像等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

結(jié)論與展望：

本研究提出了一種基于計(jì)算全息技術(shù)的軸向余弦結(jié)構(gòu)光動(dòng)態(tài)調(diào)制方法。 該方法能夠生成具有不同周期和相位的軸向余弦結(jié)構(gòu)光，有效解決了傳統(tǒng)調(diào)制方法復(fù)雜且靈活性不足的問題。

其核心原理如下： 首先，將不同參數(shù)的軸向余弦結(jié)構(gòu)光強(qiáng)度圖與深度信息結(jié)合進(jìn)行切片化處理。其次，基于菲涅爾衍射原理計(jì)算各切片層的復(fù)振幅分布。然后，疊加所有切片層的復(fù)振幅以獲得全息圖的復(fù)振幅信息。最后，提取全息圖的相位信息并輸入空間光調(diào)制器（SLM），即可生成所需的三維軸向結(jié)構(gòu)光強(qiáng)度分布。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過調(diào)整初始強(qiáng)度圖參數(shù)，可以在三維空間中精確生成具有目標(biāo)周期與相位的結(jié)構(gòu)光束，驗(yàn)證了該方法在光束周期和相位調(diào)控上的可行性。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化光束生成技術(shù)相比，本技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于： 調(diào)整光束形態(tài)僅需修改全息圖，無需進(jìn)行硬件重組，因此具備極強(qiáng)的靈活性。這一特點(diǎn)使其在光神經(jīng)刺激等對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出重大潛力。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.optcom.2025.132214