據(jù)Optica雜志報(bào)道，華科大在自由曲面光束調(diào)控領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。

Optica雜志在線發(fā)表了華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院現(xiàn)代應(yīng)用光學(xué)團(tuán)隊(duì)馬冬林副教授課題組的“Sculpting Optical Fields into Caustic Patterns based on Freeform Optics”研究論文。

操控光場(chǎng)的能量傳遞是光學(xué)研究中的重要課題，在激光微加工、光鑷、光學(xué)顯微成像、照明工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。散焦現(xiàn)象是自然界和日常生活中存在的天然的光能傳輸調(diào)控過(guò)程，比如陽(yáng)光照射流動(dòng)的水面在水底形成了波紋狀的圖案（圖1a），燈光下水杯內(nèi)形成尖頭狀光斑（圖1b）等等。這些現(xiàn)象展現(xiàn)了生活中常見(jiàn)的光學(xué)表面與介質(zhì)對(duì)光產(chǎn)生聚焦效應(yīng)，形成銳利且穩(wěn)定的光斑圖案。

圖 (a) Bijective-mapping-based freeform optics design. (b) Design of caustic patterns enabling new functions of freeform optical elements (FOEs).

圖1.基于散焦現(xiàn)象的光能傳輸調(diào)控

近年來(lái)，關(guān)于自由曲面光學(xué)元件在光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究蓬勃發(fā)展，這種元件具有調(diào)控精度高和能量效率高的優(yōu)勢(shì)，適用于宏觀尺寸的光束調(diào)控問(wèn)題。然而，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)機(jī)制主要基于偏微分方程求解光線目標(biāo)位置坐標(biāo)或自由曲面點(diǎn)云，無(wú)法處理散焦出現(xiàn)的情況，且對(duì)三維空間中光通量傳遞的調(diào)控問(wèn)題研究不足。

馬冬林團(tuán)隊(duì)提出一種自由曲面光學(xué)（freeform optics）設(shè)計(jì)方案，打破傳統(tǒng)自由曲面光調(diào)控設(shè)計(jì)的限制，不再要求單一平面上使用完整的光線束實(shí)現(xiàn)規(guī)定光分布，并突破了入射光線與目標(biāo)交點(diǎn)間雙射映射關(guān)系，通過(guò)對(duì)入射光的光能進(jìn)行精確地聚焦與調(diào)控，實(shí)現(xiàn)任意形式的銳利散焦光斑（圖1c）。該方法還可以通過(guò)將光聚焦于簡(jiǎn)易的三維曲線，使光場(chǎng)強(qiáng)度峰值沿規(guī)定的空間軌跡傳播，有望將自由曲面元件應(yīng)用于更廣泛的光調(diào)控應(yīng)用中。

為了驗(yàn)證這種自由曲面元件的性能，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了與基于雙射映射的設(shè)計(jì)方法的對(duì)比。通過(guò)投影至空間光調(diào)制器，分別生成了四種不同尺寸的光斑分布。結(jié)果表明，基于散焦的設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠形成更銳利的圖案。

圖2.與傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

研究團(tuán)隊(duì)所還驗(yàn)證了基于散焦設(shè)計(jì)的其它潛力，如調(diào)控朗伯點(diǎn)光源發(fā)光和三維空間中的光束整形問(wèn)題，部分設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3、4所示。

圖3.實(shí)現(xiàn)散焦圖案的自由曲面照明元件

圖4.擴(kuò)展光分布的景深

華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院博士生魏詩(shī)力為論文第一作者，馬冬林副教授為論文通訊作者，博士生李憶童為論文共同作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市自然科學(xué)基金的資助。

據(jù)長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟秘書(shū)處獲悉，馬冬林于2010年獲得國(guó)家留學(xué)基金委（CSC）資助，在美國(guó)三大光學(xué)中心之一的亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)學(xué)院攻讀光學(xué)工程碩士以及理學(xué)博士學(xué)位。博士期間，致力于照明工程、自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)、相關(guān)光學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及光學(xué)測(cè)試的研究，取得了豐碩成果，出色完成了多項(xiàng)科研項(xiàng)目，發(fā)表或已提交了多篇學(xué)術(shù)論文以及會(huì)議論文，相關(guān)工作獲得了Laser Focus World等媒體的公開(kāi)報(bào)導(dǎo)，同時(shí)先后開(kāi)發(fā)了CGH干涉測(cè)量?jī)x、全景內(nèi)窺鏡系統(tǒng)、顯微鏡、三維測(cè)量?jī)x等多種光學(xué)系統(tǒng)。獲得博士學(xué)位后于2016年全職回國(guó)工作，目前以副教授的身份任職于華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院。期間擔(dān)任中國(guó)十三五規(guī)劃重大專項(xiàng)“大型（十二米）光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡”科學(xué)委員會(huì)的技術(shù)顧問(wèn)，一方面承擔(dān)該項(xiàng)目前期工作中望遠(yuǎn)鏡光學(xué)設(shè)計(jì)方案的評(píng)估工作，另一方面也是華中科技大學(xué)參與該項(xiàng)目概念設(shè)計(jì)方案競(jìng)標(biāo)的主要負(fù)責(zé)人。基于大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)工作獲得了美國(guó)著名科技雜志Science的撰文報(bào)導(dǎo)，也引起了包括知識(shí)分子等國(guó)內(nèi)媒體的高度關(guān)注。本人學(xué)術(shù)研究工作中秉承著華中科技大學(xué)的學(xué)風(fēng)要求，認(rèn)真寫好兩篇“論文”，一篇寫在學(xué)術(shù)期刊上，目前已發(fā)表學(xué)術(shù)論文近30余篇，申請(qǐng)了多項(xiàng)發(fā)明專利；另一篇寫在祖國(guó)大地上，承擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)家級(jí)和省部級(jí)縱向項(xiàng)目、軍口縱向和民口橫向項(xiàng)目等，取得了重要的社會(huì)影響。

目前主要承擔(dān)三方面的科研工作：第一，推動(dòng)重大科學(xué)裝置“南天光譜巡天望遠(yuǎn)鏡”的立項(xiàng)和建設(shè)工作，以及核心關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)研工作，該項(xiàng)目總建設(shè)預(yù)算預(yù)計(jì)將達(dá)12億左右；第二，主導(dǎo)承擔(dān)軍口863項(xiàng)目激光專項(xiàng)系列子課題的研究工作，主要包括膜系穩(wěn)定性、新型激光照明系統(tǒng)、鈉導(dǎo)星激光發(fā)射裝置等等；第三，主導(dǎo)承擔(dān)“天琴計(jì)劃”中的核心裝置天琴望遠(yuǎn)鏡的研制工作。