現(xiàn)代光學(xué)中一個(gè)令人興奮的前景是利用光的模式——光在多個(gè)自由度下的樣子——通常被稱為“結(jié)構(gòu)光”。每一種不同的圖案都可以形成一個(gè)用于光通信的編碼字母表，或者可以用于制造業(yè)以提高性能和生產(chǎn)力。不幸的是，當(dāng)光線穿過(guò)有噪聲的通道時(shí)，它們的模式就會(huì)扭曲，例如，受壓的光纖、畸變的光學(xué)系統(tǒng)、渾濁的活體組織，也許還有一個(gè)非常嚴(yán)重的例子，空氣中的大氣湍流。

在所有這些示例中，扭曲的模式可能惡化到輸出模式與輸入模式完全不同的地步，從而抵消了好處。正如《先進(jìn)光子學(xué)》雜志報(bào)道的那樣，南非的研究人員已經(jīng)展示了如何找到無(wú)失真形式的光，這些光從嘈雜的通道中出來(lái)，與它們被放入的通道完全相同。以大氣湍流為例，他們證明了這些被稱為本征模的特殊形式的光，甚至可以在非常復(fù)雜的通道中找到，它們沒(méi)有失真，而其他形式的結(jié)構(gòu)光則無(wú)法識(shí)別。

當(dāng)光線通過(guò)大氣等嘈雜通道時(shí)，它會(huì)失真，但存在復(fù)雜形式的光，它們不會(huì)失真，因此輸出模式與輸入相同。

在自由空間光學(xué)、傳感和能量傳遞等許多應(yīng)用中，讓光線穿過(guò)大氣層是至關(guān)重要的，但如何做到這一點(diǎn)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，一種試錯(cuò)的方法被用于在某些特定的噪聲通道中尋找最強(qiáng)大的光形式，但到目前為止，所有形式的熟悉的結(jié)構(gòu)光都顯示出隨著介質(zhì)變得越來(lái)越嘈雜而扭曲。原因是光可以“看到”扭曲。

但是有沒(méi)有可能創(chuàng)造出一種看不到扭曲的光，就像扭曲不存在一樣穿過(guò)呢?為了取得這一進(jìn)展，研究人員將噪聲通道視為一個(gè)數(shù)學(xué)算子，并提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題:哪種形式的光對(duì)這個(gè)算子是不變的?換句話說(shuō)，處于通道自然模態(tài)的光波表現(xiàn)得好像它們沒(méi)有看到扭曲:通道的真實(shí)特征模態(tài)。

討論的例子是由于大氣湍流造成的嚴(yán)重扭曲。這個(gè)問(wèn)題的答案揭示了以前未被認(rèn)識(shí)的光的形式(即那些不屬于任何已知的結(jié)構(gòu)光家族，但對(duì)介質(zhì)完全健壯的光)。這一事實(shí)在弱和強(qiáng)湍流條件下得到了實(shí)驗(yàn)和理論的證實(shí)。

根據(jù)通訊作者、SPIE研究員、約翰內(nèi)斯堡金山大學(xué)特約教授Andrew Forbes的說(shuō)法，“這項(xiàng)工作令人興奮的地方在于，它為研究復(fù)雜系統(tǒng)中的復(fù)雜光開辟了一種新方法，例如，通過(guò)光纖、水下通道、活體組織和其他高度畸變系統(tǒng)傳輸經(jīng)典光和量子光�！�

他補(bǔ)充說(shuō):“由于本征模的性質(zhì)，這種介質(zhì)有多長(zhǎng)并不重要，也不重要擾動(dòng)有多強(qiáng)，因此即使在傳統(tǒng)的校正程序(如自適應(yīng)光學(xué))失敗的情況下，它也應(yīng)該能很好地工作�！�

在復(fù)雜介質(zhì)中保持結(jié)構(gòu)光的完整性將為未來(lái)通過(guò)噪聲通道成像和通信的工作鋪平道路，當(dāng)光的結(jié)構(gòu)形式是脆弱的量子態(tài)時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。

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