突破动态散射难题！英科学家开创光传播新路径，赋能深层成像与湍流通信
近日，英国埃克塞特大学DavidB.Phillips团队在《Nature Photonics》发表重磅研究，提出一种全新的光传播控制策略，成功实现光在动态强散射介质中的稳定传输。该方法通过识别介质中的稳定区域、规避快速波动部分，从根本上解决了传统技术难以应对的光场畸变问题，为生物成像、光通信等多领域突破提供了核心工具。
研究背景：动态散射的“拦路虎”
光在生物组织、湍流大气、水流等动态复杂介质中传播时，介质的随机运动会导致光场剧烈畸变，这一现象严重阻碍了高分辨率成像、远距离光学通信等技术的发展。传统波前整形技术依赖介质的静态特性，而实际应用中许多介质的波动速度快至毫秒级，使得现有方法难以奏效。如何让光“绕过”动态干扰、保持传输稳定，成为长期困扰学界的关键难题。
核心创新：三大策略解锁稳定传输通道
研究团队的核心突破在于发现：动态散射介质中并非所有区域都快速变化，存在大量相对稳定的“通道”。基于这一洞察，他们开发了三种高效调控方法：
无导优化：迭代抑制波动
通过计算机控制衍射光学元件，迭代调整入射光场的相位，使输出光的时间强度波动持续降低。实验显示，该方法能将波动水平抑制至0.1左右，优化后的光场会自动避开介质中的动态区域，但需约2500次迭代才能收敛。
物理伴随优化：提速两个数量级
创新采用梯度下降的物理实现方案，通过双向传输光场并进行相干时间平均，同时优化所有空间分量。仅需15次迭代即可达到稳定状态，相比无导优化效率提升近200倍，且优化后的光场分布更平滑，抗干扰能力更强。
时间平均传输矩阵特征信道：批量挖掘稳定路径
通过构建介质的时间平均传输矩阵，提取具有最大本征值的本征向量，这些向量对应着与动态区域相互作用最少的传输通道。研究发现，即使在强波动介质中，利用前100个最稳定的特征信道，也能显著提升光束聚焦的对比度和稳定性。
实验验证：从模拟到实际场景的突破
团队通过三级衍射光学元件模拟三维时变散射介质，成功验证了三种方法的有效性。在更贴近实际的弯曲多模光纤实验中，他们识别出754个特征信道，其中150个信道的波动水平显著低于随机输入场，最稳定信道的波动值仅为0.19，远优于传统方法的0.80。这一结果表明，该技术可直接应用于光纤通信等实际场景。
应用前景：跨领域的技术赋能
该研究的价值不仅局限于光学领域，其基于波动物理的核心思想可推广至微波、射频和声学等多个波传播领域。未来有望实现：
生物医学：深层活体组织的高分辨率动态成像；
通信技术：跨越湍流大气、水下环境的远距离光通信；
工业与声学：精准声束形成、微波信号抗干扰传输等。
研究负责人DavidB.Phillips教授表示，该方法无需预知介质动态区域的位置和运动规律，仅通过测量外部散射光即可实现优化，为复杂动态环境中的波传播调控提供了通用解决方案。随着技术进一步完善，有望在多个依赖波传输的关键领域引发革新。
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