经过无序介质的光场的调控技术研究

The multiple scattering associated with light propagating in disordered media disturb the information carried by optical waves and then restricting optical applications such as imaging, detection and information transmission. However researches have revealed that multiply scattered waves can contain as unique as sub-wavelength information that cannot be provided by free waves. This project is aiming to develop a set of optical manipulating techniques used for light waves propagating through disordered media. The incident wave character will be made to match the multiple scattering process inside the media through modulating its phase, polarization or coherence degrees of freedom. Through developing this method not only the deteriorating effect of the media can be circumvented, but also the modulating ability of the media can be utilized fully to make focusing and imaging of the outgoing wave possible. The three parts as the incident modulation, the eigen-character of propagation inside the media and the feedback measurement are the main focuses of the study. By studying the eigen-character of propagation we can make clear the fundamental law of scattering inside the media, by designing precise feedback measurement techniques we can realize efficient optimization of the degrees of freedom and we further realize versatile manipulating abilities by exploiting .new effective degrees of freedom. What we can synthesize through these studies is finally a set of techniques for optical applications under scattering environments and it will be of wide scope of use.

光波在无序介质中发生的多次随机散射扰乱了光场携带的信息，极大限制了散射环境下光学成像、探测、信息传输等应用。然而研究表明，无序介质的多散射可以提供包括亚波长信息在内的、自由传播光场所不具备的独特信息。本课题就是要研究一套适用于经过无序介质光场的调控技术，通过调控入射光的相位、偏振、相干性等自由度，达到光波特征与介质散射过程的最优匹配，使得光从无序介质出射后不但可以克服介质散射的不利因素，更可以利用介质对光场的调制能力，并进一步实现聚焦、成像等要求。本课题从光波与介质相互作用的三个环节，即入射光自由度的调控、光在介质中的本征传输规律、介质输出散射光的反馈测量入手，通过研究介质的本征传输特性阐明光散射的基本规律，通过研究散射光的反馈测量技术为调控光场提供优化方向，通过开发入射光的新自由度实现更加灵活的调控手段，最终为散射环境下利用光波为媒介的信息传输提供一个有普适性的技术体系。

利用光波为载体进行能量或者信息传送的各类应用技术，在面对使光波发生多次散射的无序环境时，都面临能量衰减、信息质量恶化等困难。这是因为无序介质引起的多重散射扰乱了光波的振幅和相位信息，输入光场和输出光场之间存在有规律但复杂的联系。本项目正是针对这一问题展开研究。项目研究了代表无序介质散射作用的传输矩阵及其测量方法、测量精度和它所反映的光输运内部物理机制。研究实现了传输矩阵的准确测量，完全掌握了传输矩阵测量的原理、算法设计、实验装置构建、矩阵的奇异值分析等一系列技术。项目还研究了与传输矩阵方法对等的波前优化调控方法，先后实施完成了波前的序列优化、分区优化、粒子群优化等五种方法，可以作为传输矩阵的重要补充。在测得传输矩阵的基础上，我们利用时间反演技术实现了光场的可控聚焦和成像。针对光场调控中的残余噪声问题，我们从矩阵的奇异值着手，发展了奇异值滤波技术。同时我们还借助奇异值对应的本征通道，阐明了反射与透射端本征通道固有的内在相关性。围绕无序散射问题，我们还进一步研究了基于光强相关、反卷积和深度学习的光场反演和成像方法。这些研究结果最终已经形成了一套比较完备的应对散射环境的光场控制手段，并能通过有机组合形成针对具体应用场景的新型功能装置。这些成果对于国防、医学诊断、生物成像、无序环境的通信的应用，具有巨大的潜在应用价值。