导读

光束进入浑浊生物组织、水体等复杂介质时，多重散射和随机折射会改变其原有的光强分布与波前相位。对于携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束来说，散射还可能会造成模式串扰，使光场中的信息逐渐退化。

在散射作用下，原有的螺旋波前可能已经难以辨认，那么是否其中仍可以保留一些OAM信息？其保留程度又与光束的空间结构有什么内在关联？ 

2026年9月，中国石油大学（华东）理学院研究团队在国际光学期刊《APL Photonics》上发表论文《Phase preservation characteristics of perfect vortex beams in complex scattering media》。研究结合相干蒙特卡洛（MC）框架与光强传输方程（TIE）的相位重构技术，系统考察了完美涡旋光束（Prefect Vortex Beam，PVB）在多重散射介质中的相位演化、模式串扰及OAM保持特性，为复杂散射环境下的光学传感、生物医学成像及高鲁棒性光学通信提供了新的理论依据。

1.从光束结构入手，分析OAM信息的散射演化

涡旋光束具有螺旋形相位，拓扑荷描述相位绕光轴一周的缠绕次数，是区分OAM状态的重要参数。

传统涡旋光束，如拉盖尔-高斯光束（LG）与贝塞尔-高斯光束（BG），在环半径与拓扑荷之间具有固有耦合特性，这会导致拓扑荷改变时场分布发生显著变化。这种耦合不仅限制了OAM模态在光信息传输中的复用效率，更给系统研究拓扑荷对多散射传播的影响带来了根本性困难。

完美涡旋光束（PVBs）因其环半径与拓扑荷相互解耦，且能量分布高度集中于固定环形区域，被视为复杂环境下光传播的理想载体。

已有研究观察到，涡旋光束在散射环境中可能保留部分相位和OAM信息，但对于PVB特有的径向结构如何影响多重散射过程，目前仍缺少充分的定量分析。

研究团队采用相干Monte Carlo模拟方法，对PVB在散射介质中的传播进行分析。团队首先在模型中跟踪大量光子的随机传播过程，计算散射后光场的强度与相位变化，再分析原有OAM模式在输出光场中保留了多少。

不同散射强度下PVB的光强、相位及OAM模式演化 / 图源：Zhan et al., APL Photonics, 2026, Fig. 2

实验数据显示，对于拓扑荷为/=3的PVB，当光学深度（OD）分别为2、4和6时，模拟所得的OAM纯度分别达到99.995%、99.839%和94.905%。随着光学深度增加至10，OAM纯度下降至5.531%，表明强多重散射已造成明显的模式退化。

这一结果表明，PVB在一定散射范围内能够较好保持原有OAM模式，当多重散射越强烈，模式退化就越明显。这组数据给出PVB在不同散射强度下的OAM保持范围，为进一步研究其残余香味信息提供定量依据。

2.强散射后，相位信息是否还在？

随着散射增强，PVB原本清晰的螺旋相位逐渐变得难以辨认。但研究人员进一步发现，即使光场发生严重畸变，散射后的局部相位仍可能与入射光束存在联系。

在OD=10的强多重散射条件下，输出光场已经形成复杂光斑，研究团队改变入射光束的螺旋相位后发现，PVB主环区域内的局部散斑相位，仍会表现出相应变化。也就是说，虽然散射打乱了原有波前，但光场中仍然保留部分与初始OAM有关的相位信息。模拟显示，这种相位关联主要集中在PVB的主环区域，在光束中心和主环外围相对较弱。

这种现象被称为OAM相位记忆（OAM phase memory）。

强多重散射条件下PVB的OAM相位记忆模拟 / 图源：Zhan et al., APL Photonics, 2026, Fig. 3

研究表明，即使输出强度和局部相位受到严重扰动，光场中仍可以保留一些与入射拓扑结构相关的信息，这为后续从复杂散射光场中提取相关信息提供了研究依据。

3.对比传统涡旋光束，PVB模式保持特性更稳定

除了分析散射强度的影响，研究团队进一步探究，改变OAM模式本身，是否会进一步影响光束的散射表现。

为此，研究人员在相同的强散射条件（OD=8）下，分别模拟了拓扑荷为1、3、5和7的四种PVB，并与传统LG涡旋光束进行比较。

结果显示，尽管四种PVB都经历了明显的相位畸变，但原有OAM模式的纯度均保持在40%左右，不同拓扑荷之间的差异很小。模式分选结果中，也依然能够区分出与各自入射OAM状态相对应的信号峰。而传统LG光束在相同条件下的OAM纯度仅为10-16%，并随着拓扑荷增加呈现出更加明显的下降趋势。

不同拓扑荷PVB在相同散射条件下的光场及OAM模式分布 / 图源：Zhan et al., APL Photonics, 2026, Fig. 4

为什么会出现这种差异？

研究指出，一个重要原因在于两类光束的径向结构不同。LG光束的环形尺寸会随拓扑荷改变，高阶模式下会具有不同的横向空间分布。PVB的主环半径则基本保持不变，不同OAM模式进入散射介质，作用区域更加接近，这便减少了由光束尺寸变化额外引入的传播差异。

4.实验验证，PVB散射传播实验系统

实验采用633nm半导体激光器，光束经偏振、扩束和准直后进入HDSLM 80R Plus反射式空间光调制器，通过加载相位全息图对入射波前进行调制，再经4f系统选取一级衍射光，由傅里叶透镜生成PVB。随后，光束穿过装有散射介质的样品池，由CCD采集输出光场的强度分布。

完美涡旋光束散射传播与相位测量实验光路 / 图源：Zhan et al., APL Photonics, 2026, Fig. 5

在相位恢复环节，研究团队采用光强传输方程（TIE）方法，通过记录相邻三个轴向平面的光强分布，计算轴向光强变化，重建散射后的波前相位。这种方式的优势在于无需参考额外光，降低干涉式测量对参考光路稳定性的要求。

实验显示，随着散射强度增加，恢复相位中的局部波动明显加剧，但整体拓扑信息仍能够被识别。这说明，在实验所测试的散射范围内，即使螺旋波前已经受到扰动，仍有可能通过光强测量恢复与原始OAM相关的相位特征。

PVB散射后的TIE相位恢复及其与数值模拟的比较 / 图源：Zhan et al., APL Photonics, 2026, Fig. 6

实验平台 丨 HDSLM80R Plus

论文实验采用UPOLabs HDSLM80R Plus反射式空间光调制器。对于这项研究，入射光场的制备是连接理论模型与实验验证的关键环节。HDSLM80R Plus将计算设计的相位分布加载到实际光束上，使研究者能够以设定的涡旋光场开展散射测量。

HDSLM80R Plus系列

HDSLM80R Plus系列位深灰阶升级为10bit位深1024灰阶，可一键切换8/10bit，图像切换同步脉冲，编程控制GPIO, 内置零级偏离。波段覆盖420nm~1550nm，满足红外波段、1550nm通信波段的相位需求。具有0.003π@24h高相位稳定性，填充因子＞95%，LCOS屏幕角度可俯仰调节，机身可升降调节，可接水冷管。适用于激光加工、投影光刻、全息应用、光场调控、激光器、显微镜、光神经网络计算等领域。

HDSLM80R Plus产品参数

结语

这项研究从完美涡旋光束的径向结构出发，通过不同散射强度下的数值分析、传统LG光束对照及TIE相位恢复实验验证，进一步厘清了多重散射对OAM模式和相位信息的影响。结果表明，PVB在一定散射范围内能够较好地保持原有OAM模式，即使在强散射条件下，主环区域仍可能保留一部分可检测的相位关联。

该研究为理解复杂介质中的结构光传播提供了定量依据，也为后续开展散射环境下的OAM识别、光通信及相位敏感检测研究提供了理论参考。

本文内容依据论文《Phase preservation characteristics of perfect vortex beams in complex scattering media》公开发表信息整理。文中涉及UPOLabs产品的描述仅限于论文公开披露的实验平台配置，不代表论文作者对相关产品进行性能排名或商业推荐。

原文地址：https://doi.org/10.1063/5.0348330

本文转载自UPOLabs微信公众号