Broadband Control of Light through Complex Media via Automatically Self-Referencing Transmission Matrix Characterisation
本文提出了一种基于空间状态层析成像的自动自参比技术，该技术能够在无需外部参考或迭代算法的情况下，实现对复杂介质进行鲁棒且宽带的传输矩阵表征，从而为生物医学成像和光学通信领域的应用提供高保真度的光控制。
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当光线穿过清澈的空气或玻璃时，其运动方式是可预测的；但当遇到混沌环境时，其表现则截然不同。想象一下，将手电筒的光束射入浓雾或一块磨砂玻璃中：光束会发生散射，破碎成杂乱无章、随机分布的明暗斑点。这是因为材料中充满了微小的缺陷，这些缺陷将光向四面八方弹射，从而扰乱了光所携带的信息。几十年来，科学家们一直试图破解这种混沌现象，特别是在尝试通过这类无序材料传输图像或数据时。解锁这一潜力的关键在于理解一张关于光如何进入和离开材料的具体图谱。这张被称为“传输矩阵”的图谱就像是一本详尽的说明书，描述了通过无序介质的每一种可能的路径是如何与输出端的每一种可能路径相连的。如果研究人员能够精确测量这张图谱，他们就能逆转这种散射效应，即使在光线穿过生物组织或纠缠的光纤等复杂障碍物后，也能将模糊的乱象还原为清晰的图像或聚焦的光束。
挑战始终在于如何在不迷失于噪声的情况下测量这张图谱。传统方法需要第二束完美同步的光作为参考光束，通过将散射后的光与这个已知的标准进行对比，从而推导出隐藏的细节。这种方法对于非常稳定且相干的激光非常有效，但对于宽带或短寿命的光源（例如用于医学成像或高速通信的白光）则完全失效。在这些情况下，参考光束无法与杂乱的光保持同步，使得测量变得不可能。其他尝试解决此问题的方法往往依赖于通过复杂的计算机算法进行猜测，或者仅选取光的一个特定部分作为参考，但这些方法通常会产生光强过弱而无法测量的盲点，或者对计算能力的要求过高，导致结果不可靠。
昆士兰大学的一个研究团队现在开发出了一种全新的方法来绘制这种混沌光的图谱，该方法无需任何外部参考光，且无论光源多么不稳定或带宽多宽都适用。该方法并非试图将光与系统外部的物体进行对比，而是将光本身视为自身的引导者。他们使用了一种称为“空间态层析成像术”（spatial-state tomography）的技术，这种技术本质上是将光分解为其基本构建模块，并测量每一个模块如何与其他模块相互干涉。通过系统地向光纤电缆中射入不同的光模式，并记录另一端产生的强度分布图，他们成功重建了光纤行为的完整图谱。这种方法的独特之处在于，它不需要去猜测使用光的哪一部分作为参考；相反，它将整个光模集合作为一个分布式参考网络，确保系统的任何部分都不会被遗漏。
研究人员在一段两米长的多模光纤上测试了这种方法，这种类型的电缆可以同时传输数百条不同的光路径。他们首先证明，对于稳定的单色激光，该技术的效果与传统的“金标准”方法同样出色，成功恢复了一个拥有420个独立通道的图谱。更重要的是，他们展示了当切换到模拟现实应用中使用的短相干性宽带光源时，该方法依然保持稳健。通过调整测量过程以匹配光源的特定带宽，他们能够创建一个定制化的图谱，从而针对该类照明实现最优的光控制。当他们利用这些图谱在光纤远端对光进行整形时，即使在光线高度无序的情况下，也能将其聚焦成锐利的斑点或形成像笑脸这样的复杂形状。
这项工作的意义在于，它将对光的精确控制能力扩展到了此前被认为无法管理的领域。研究人员发现，对于宽带光源，不存在一张适用于所有波长的静态通用图谱；相反，最佳的控制来自于针对所用光带宽进行专门调优的图谱。实验表明，通过使测量过程与光源相匹配，他们可以比传统方法实现更高质量的宽光谱范围内的控制。这意味着依赖复杂介质的技术——例如用于观察人体内部的内窥镜，或通过大气层传输数据的通信系统——可能会变得更加高效且多功能。该方法消除了对脆弱、复杂装置的需求，并为利用简单、强大的光源在最困难的光学环境中进行观察与通信开启了大门。
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