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

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

操控光場的能量傳遞是光學研究中的重要課題，在激光微加工、光鑷、光學顯微成像、照明工程等領(lǐng)域具有廣泛的應用。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)控過程，比如陽光照射流動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)了生活中常見的光學表面與介質(zhì)對光產(chǎn)生聚焦效應，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，關(guān)于自由曲面光學元件在光學設計領(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，適用于宏觀尺寸的光束調(diào)控問題。然而，現(xiàn)有的設計機制主要基于偏微分方程求解光線目標位置坐標或自由曲面點云，無法處理散焦出現(xiàn)的情況，且對三維空間中光通量傳遞的調(diào)控問題研究不足。

馬冬林團隊提出一種自由曲面光學（freeform optics）設計方案，打破傳統(tǒng)自由曲面光調(diào)控設計的限制，不再要求單一平面上使用完整的光線束實現(xiàn)規(guī)定光分布，并突破了入射光線與目標交點間雙射映射關(guān)系，通過對入射光的光能進行精確地聚焦與調(diào)控，實現(xiàn)任意形式的銳利散焦光斑（圖1c）。該方法還可以通過將光聚焦于簡易的三維曲線，使光場強度峰值沿規(guī)定的空間軌跡傳播，有望將自由曲面元件應用于更廣泛的光調(diào)控應用中。

為了驗證這種自由曲面元件的性能，研究團隊進行了與基于雙射映射的設計方法的對比。通過投影至空間光調(diào)制器，分別生成了四種不同尺寸的光斑分布。結(jié)果表明，基于散焦的設計相較于傳統(tǒng)設計能夠形成更銳利的圖案。

圖2.與傳統(tǒng)方法設計結(jié)果對比

研究團隊所還驗證了基于散焦設計的其它潛力，如調(diào)控朗伯點光源發(fā)光和三維空間中的光束整形問題，部分設計結(jié)果如圖3、4所示。

圖3.實現(xiàn)散焦圖案的自由曲面照明元件

圖4.擴展光分布的景深

華中科技大學光電信息學院博士生魏詩力為論文第一作者，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。該工作得到了國家自然科學基金、深圳市自然科學基金的資助。

據(jù)長三角G60激光聯(lián)盟秘書處獲悉，馬冬林于2010年獲得國家留學基金委（CSC）資助，在美國三大光學中心之一的亞利桑那大學光學科學學院攻讀光學工程碩士以及理學博士學位。博士期間，致力于照明工程、自由曲面光學設計、相關(guān)光學系統(tǒng)開發(fā)以及光學測試的研究，取得了豐碩成果，出色完成了多項科研項目，發(fā)表或已提交了多篇學術(shù)論文以及會議論文，相關(guān)工作獲得了Laser Focus World等媒體的公開報導，同時先后開發(fā)了CGH干涉測量儀、全景內(nèi)窺鏡系統(tǒng)、顯微鏡、三維測量儀等多種光學系統(tǒng)。獲得博士學位后于2016年全職回國工作，目前以副教授的身份任職于華中科技大學光學與電子信息學院。期間擔任中國十三五規(guī)劃重大專項“大型（十二米）光學紅外望遠鏡”科學委員會的技術(shù)顧問，一方面承擔該項目前期工作中望遠鏡光學設計方案的評估工作，另一方面也是華中科技大學參與該項目概念設計方案競標的主要負責人?；诖笮凸鈱W紅外望遠鏡的設計工作獲得了美國著名科技雜志Science的撰文報導，也引起了包括知識分子等國內(nèi)媒體的高度關(guān)注。本人學術(shù)研究工作中秉承著華中科技大學的學風要求，認真寫好兩篇“論文”，一篇寫在學術(shù)期刊上，目前已發(fā)表學術(shù)論文近30余篇，申請了多項發(fā)明專利；另一篇寫在祖國大地上，承擔了多項國家級和省部級縱向項目、軍口縱向和民口橫向項目等，取得了重要的社會影響。

目前主要承擔三方面的科研工作：第一，推動重大科學裝置“南天光譜巡天望遠鏡”的立項和建設工作，以及核心關(guān)鍵技術(shù)的預研工作，該項目總建設預算預計將達12億左右；第二，主導承擔軍口863項目激光專項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)、鈉導星激光發(fā)射裝置等等；第三，主導承擔“天琴計劃”中的核心裝置天琴望遠鏡的研制工作。