当光通过一个嘈杂的通道，如大气层时，它会被扭曲，但存在着复杂形式的光，它出来的时候没有扭曲，所以输出的图案与输入的相同。资料来源：高级光子学（2023）。doi: 10.1117/1.ap.5.1.016006

现代光学的一个激动人心的前景是利用光的模式--光在其许多自由度中的样子--通常被称为 "结构光"。每个不同的图案都可以形成光通信的编码字母，或者可以用于制造业以提高性能和生产力。不幸的是，当光通过嘈杂的通道时，图案会被扭曲，例如，受压的光纤、畸变的光学器件、浑浊的生物组织，也许还有一个非常严重的例子，空气中的大气湍流。

在所有这些例子中，扭曲的图案会恶化到输出的图案看起来与输入的完全不同，从而否定了其好处。正如《先进光子学》杂志所报道的，南非的研究人员已经展示了如何有可能找到无失真的光的形式，这些光从一个嘈杂的通道中出来时与被放入时完全一样。以大气湍流为例，他们表明这些特殊形式的光，称为特征模式，甚至可以为非常复杂的通道找到，不失真地出现，而其他形式的结构化光将无法识别。

将光穿过大气层在许多应用中是至关重要的，如自由空间光学、传感和能源输送，但事实证明如何最好地做到这一点具有挑战性。传统上，试错法被用来在一些特定的噪声通道中找到最稳健的光的形式，但迄今为止，所有熟悉的结构光的形式都显示出随着介质逐渐变得更嘈杂而被扭曲。原因是光可以 "看到 "失真。

但是否有可能创造出看不到扭曲的光，就像它不存在一样通过？为了取得这一进展，研究人员将噪声通道视为一个数学算子，并提出了一个简单的问题：什么形式的光对这个算子是不变的？换句话说，处于通道自然模式中的光波的行为就像它们没有看到失真一样：通道的真正特征模式。

所解决的例子是由于大气湍流造成的严重失真情况。这个问题的答案揭示了以前未被认识到的光的形式（即那些不属于任何众所周知的结构光系列，但却对介质完全稳健）。这一事实在实验和理论上得到了证实，适用于弱和强湍流条件。

据通讯作者、SPIE研究员、约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学特聘教授安德鲁-福布斯说："这项工作令人激动的是，它为研究复杂系统中的复杂光开辟了一种新的方法--例如，在通过光纤、水下通道、活体组织和其他高度畸变的系统传输经典和量子光时。"

他补充说："由于特征模式的性质，这种介质有多长，扰动有多强都不重要，因此，即使在传统矫正程序（如自适应光学）失败的情况下，它也应该工作良好。"

在复杂介质中保持结构光的完整性将为未来通过噪声通道成像和通信的工作铺平道路，当结构光的形式是脆弱的量子态时，这一点尤其重要。

更多信息：Asher Klug等人，大气湍流中的鲁棒性结构光，高级光子学（2023）。doi: 10.1117/1.ap.5.1.016006

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