定制结构光

尽管“结构光”一词大约在十年前才被创造出来，但控制光的概念由来已久。第一个有记录的关于裁剪光线的描述是在Syracuse围城期间（约公元前213–211年）的一个可能是虚构的故事，即使用多个镜子来塑造罗马船只上的阳光强度，使其成为多面非相干光束成形的一个例子。在此，Andrew Forbes讲述了结构光定制方面的研究进展。该工作发表在Optics & Photonics News上。

Andrew Forbes, Structured light: tailored for purpose, Optics and Photonics News, 31(6): 24-31 (2020).

结构光是指在所有自由度（无论在时间和频率上）对光进行剪裁或整形，以产生超快的剪裁时间脉冲；或者，更常见的是，控制光的空间自由度，例如偏振、振幅和相位。尽管“结构光”一词大约在十年前才被创造出来，但控制光的概念由来已久。第一个有记录的关于裁剪光线的描述是在Syracuse围城期间（约公元前213–211年）的一个可能是虚构的故事，即使用多个镜子来塑造罗马船只上的阳光强度，使其成为多面非相干光束成形的一个例子。透镜和成像系统同样可以被认为是裁剪光的早期形式。

然而，正是激光的出现，才真正控制了光的结构。更为人所知的是激光束整形，该领域在20世纪80年代末和90年代初，在光学和计算相互作用的推动下开始发展。更好的光学技术导致了小型微电子光刻技术的进步，为更快的计算机提供了动力；计算能力和光刻技术的提高反过来又允许计算和制造新的光学设计。

从衍射光学元件到数字微镜器件

这种相互作用导致了计算机生成全息图的出现，这些全息图被实现为衍射光学元件。以前用于高级模式识别的傅里叶“技巧”现在可以被推广并实现为用于任意光控制的高性能、纯相位元件。尽管有潜力，但吸收主要限于塑造光强度，例如，用于各种工业应用的高斯到平顶强度转换器。一次性元件的制造成本很高，通常达到数万美元，这是一个主要障碍。同时，自由曲面和非球面技术还没有达到他们今天所享受的多功能性，因此，折射解决方案的廉价选择非常有限。

结构光场进展缓慢，直到开发出用于光子应用的商用可重写空间光调制器。20世纪70年代，休斯飞机公司奠定了今天的硅基液晶空间光调制器的基础，但这些光调制器在2000年代初至中期才从传统投影仪市场进入光子结构光器件。这种容易获得、可重写的实现技术推动了结构光研究的爆发。以效率为代价提高速度和降低成本的数字微镜器件有望在今天取得类似的进步。

所有这些方法和工具都控制光的振幅和动态相位。然而，任何结构光库中的另一个重要组成部分是利用几何相位，这可能通过液晶全息图和元表面实现。计算能力加上制造技术的进步，再次有助于重塑光子学中的机遇，使人们能够轻松地调整光的偏振结构，使其超越空间均匀状态。这与振幅和动态相位的控制相结合，允许在许多情况下使用商用现成的设备轻松创建任意形式的结构光。

振幅、相位和偏振

人们希望有一个工具包，能够将一个初始光场转换为另一个振幅、相位和偏振的光场。目前，存在多种方法来实现均匀偏振标量光束的振幅和相位控制。创建奇点偏振结构需要对光的右圆偏振和左圆偏振或线性偏振分量如何出现的光学场中的每个偏振矢量进行幅度和相位控制。具有不同空间结构的两个分量之和产生了具有空间非均匀偏振结构的光的矢量状态。例如，如果两个圆偏振态具有相反螺旋度的角向相位，则生成的光束将是圆柱对称的矢量结构：一个例子是具有径向指向各处的线性偏振矢量的径向偏振光。

由于结构化矢量光束只是两个结构化标量光束的总和，因此，传统的标量光束工具包可以单独应用，然后，以干涉方式添加。这仅利用动态阶段。几何相位也可以通过元表面上的亚波长结构，或通过液晶中的大规模结构来利用，以引起每个偏振都不同的相位变化，从而直接产生矢量光束。有趣的是，在小特征尺寸衍射光学元件的早期，矢量效应是已知的，但通常被认为是不需要的伪影；今天，这些效应提供了对结构光的完全控制。

来自激光器的结构光

在结构光激光器中，也可以直接在光源处产生结构光。研究人员在早期的激光器中从腔中制造出结构光，使用腔内线、光阑和孔径来产生厄米-高斯和拉盖尔-高斯光束。通常，腔内方法用于“非结构化”光，例如，使用简单的圆孔仅产生高斯模式而不产生许多横向模式，或者使用自适应光学消除热像差中的相位结构。增益控制而非损耗控制也可用于从激光器产生结构光，例如，通过使用数字微镜装置动态地形成泵浦激光器的光场。

自20世纪90年代以来，腔内相位元件被广泛用于从激光器产生奇点状态的光。这样的方案通过在激光器的输出处定义期望的强度和相位并将其反向传播到后镜来工作。如果反射镜充当相位共轭元件，那么期望的光束将在输出端再次出现。由于此过程在每次往返后重复，因此指定模式是腔的本征模式。

一种特别受欢迎的结构光形式是携带轨道角动量的光——“甜甜圈”状光束，其特征是方位扭曲的相位分布和中心强度零。直接从激光器中创建轨道角动量模式并非易事，因为自然界无法分辨顺时针和逆时针扭曲模式的区别：它们具有相同的传播动力学、相同的光束大小、相同的波前曲率等，使得它们在激光器中很难区分。矛盾的是，创建如此美丽的对称模式通常需要某种形式的对称破坏。一种这样的方法是使用几何相位，通过外来结构物质，产生结构光的新状态。

结构光菜单

上面概述的工具包已经实现了许多形式的结构光的创建。这些包括厄密-高斯、拉盖尔-高斯和更一般的因斯-高斯光束形式的自由空间的众所周知的本征模，以及许多光纤系统的本征模式，包括线偏振和圆柱矢量涡旋模式。

只考虑光场的特定方面，而不是它的整体，就可以让一个人设计出弯曲物理规则的光。一个例子是“非衍射”贝塞尔光束，它看起来传播而不扩散，但仅当考虑光束的中心区域时。另一种是著名的艾里光束，它似乎横向加速，并在弯曲的轨迹上传播，但仅当考虑主瓣时；整个光束以恒定速度沿着直线路径行进。

结构光的一般形式已经被展示出来，包括径向和角加速光束、光子钩、焦散光束、优雅的拉盖尔-高斯光束和厄米-高斯光束，以及奇点的偏振奇异结构，包括所谓的柠檬态、恒星态、季风态、蜘蛛态、网状态和花态。光的轨道角动量状态显示出扭曲的螺旋相结构，像螺旋楼梯；扭曲可以是顺时针或逆时针的，并且每个波长扭曲一次、两次、三次或更多次，导致光束中心处的相位奇点和随着扭曲量增加的零强度区域。

这些二维横向状态的创建可以推广到空间的某个区域中的任意三维结构光，通常围绕某个焦点。这方面的例子包括偏振Mobius-strip光束的产生、相位和偏振中的打结奇点、Talbot阵列光束和光的分形状态。有时，保持一维较小是有益的，如用于显微镜的光板的情况，或者在三维光传播期间使二维结构发生变化。

最近，二维光已经通过多次二维相位修改在许多平面上进行了调制，将简单的结构光演变为更奇异的多模态形式，在光通信的背景下对创建和检测都有用，甚至可以作为高维量子门。另一个新兴领域是光的空间和时间控制的四维控制，这在很大程度上仍有待探索。

结构光的量子态概念为探测提供了一个特别有趣的角度。量子探测的作用类似于经典创造。

检测结构光

在创建了结构光之后，还想检测它。在大多数情况下，光的互易性允许检测步骤是向后运行的创建步骤。解开相位、振幅和偏振后，初始光束通常恢复为高斯光束。一个简单的单像素检测器或耦合到单模光纤允许通过模态分解对场进行定量分析。这些方法本质上只不过是早期光学模式识别中的匹配滤波器技术，通过使用两步无损保形映射确定地对各种模式进行分类，可以使其更有效。这种模式分选器已经开发并应用于拉盖尔-高斯、厄米-高斯和贝塞尔光束。

结构光的量子态概念为探测提供了一个特别有趣的角度。量子探测的作用类似于经典创造。在结构光量子实验的香草版本中，高斯泵浦激发非线性晶体中的自发参数下转换过程，产生两个以空间模式纠缠的光子。但这种状态直到被测量后才被定义：纠缠可以用任何空间模式来表示，因此不能将这两个光子称为“是”厄米-高斯、拉盖尔-高斯或贝塞尔模式。一种模式对另一种模式的后选择将状态塌陷为被测量的状态。

由于许多空间模式集是正交和完整的，它们形成了一种自然的方式来表达纠缠。简单地说，这是具有光模式的量子力学，它之所以有效，是因为模式可以是独特的。希望是利用无限数量的模式来访问无限大的希尔伯特空间，以提出量子力学的基本问题，并利用纠缠作为资源。

轻盈贴合

考虑到结构光场控制的多功能性，它们在多个学科中发现了许多应用并不奇怪。

光学捕获和镊子。因为捕获依赖于与强度梯度成比例的梯度力，所以剪裁光打开了新的可能性。除了普遍存在的高斯模式之外，陷阱还利用轨道角动量模式来设计，以形成光学“扳手”，以超快的速度旋转物质；用于光学介导粒子清除的艾里光束；贝塞尔光束在多个平面上捕获粒子，对血细胞进行光学分类，形成光学传送带，作为反向传播光场，仅举几个例子。结构光在控制微流体系统中的物质和流动方面发挥了重要作用，结构光和结构物质的相互作用对于通过近场效应在纳米尺度上进行控制至关重要。

超分辨率显微镜。受激发射损耗显微镜是2014年诺贝尔化学奖认可的技术之一，通过使用两种形式的脉冲结构光实现。第一（通常为高斯）脉冲激发照明区域内的荧光团，第二（通常为中空）脉冲通过受激发射使环形区域内的荧光团返回基态。因此，只有受激发射耗尽光束中心内的分子才会发出荧光，从而使点扩散函数变窄，并将分辨率提高到衍射极限之外。受激发射损耗显微镜已经实现了高达20 nm的横向分辨率和高达40 nm的轴向分辨率。

人们希望，结构光能够继续解决未染色生物样品中的显微镜差对比度、有限的时空分辨率、在照明和检测阶段深入观察光散射样品的困难等方面的挑战。在这里，光的形式至关重要：用于选择性平面成像的光板；迭代光束整形，以优化光的结构，从而更深入地观察散射组织；拉盖尔-高斯光束作为受激发射耗尽的空心光束。

制造业。激光驱动制造长期以来一直使用结构光来提高加工速度和质量，并优化成本和效率。定制强度分布导致了高效的钻孔，例如，VIA针对具有平顶光束的微电子钻孔，而偏振控制对于沿任意几何形状切割至关重要。对于板材厚度与宽度之比较大的金属切割，径向偏振光提供的切割效率是线性偏振光的两倍。

矢量光束也因其在去除相互作用区中的废料方面的有效性以及在强纵向场分量下紧密聚焦的能力而脱颖而出。事实上，调整横向和纵向场分量可以实现焦斑的任意整形，从而在没有传统光束整形器的情况下，有助于焦点处的平顶强度分布。无衍射光束最近改进了薄玻璃和厚玻璃的切割以及二维分布的蚀刻。

通信带宽和安全性。使用空间光模式作为光通信新自由度的想法可以追溯到20世纪80年代初，但在过去十年中，基于日益增长的需求和现成的工具包，这一想法已经获得了广泛的关注。理想情况下，每个模式都将作为一个新的信道，承载现有技术可能的最大信息容量，N个模式转换为N倍的带宽增益。实际上，光纤中的空间模式和湍流自由空间之间的耦合限制了信道容量，而数字信号处理校正对于大型多信道系统来说变得禁止。

尽管如此，与结构光的更快通信速度已超过每秒太比特，使用定制设计的光纤证明了不断增长的距离。大约15年前，在英国格拉斯哥大学的走廊上进行了一次开创性的演示，轨道角动量一直是人们选择的模式，但研究显示了其他模式的潜在好处，例如，贝塞尔光束用于自愈合连接，厄米-高斯光束用于倾翻弹性，以及以不同方式体验信道以利用分集的模式类型的组合。

同时，量子级的结构光可能是提高数据安全性的关键。许多模式提供了对高维量子态的访问，已知其允许每个光子具有更高的信息容量和对噪声的更高容忍度，这两个都对量子密钥分发至关重要。利用轨道角动量及其相互无偏的基进行了结构光的第一次量子密钥分配，以及具有偏振和轨道角动量混合纠缠模式的长距离自由空间（高达约300米）和光纤（高达1公里）量子链路。虽然用于结构光的量子工具包仍然远远落后于用于偏振的量子工具包，但潜在的好处正在推动该领域的快速发展。

从光的结构入手从未如此容易，而且，每个人都在使用某种形式的结构光，即使不是通过设计。

开放的挑战和机遇

各种国家的光子学战略都将此标记为光子世纪，光子学有望取代大部分电子技术。然而，尽管经过几个世纪的努力，在光子系统中的控制能力与在电子系统中的不同。用于控制结构光的工具包虽然近年来得到了大量丰富，但大部分仍然是空白的：几乎没有紧凑型结构光光源的选择，几乎没有现成的非定制解决方案，也很少有在较高功率水平和/或快速切换率下工作的解决方案。目前，要部署结构光解决方案，用户必须是结构光专家。这类似于要求所有显微镜用户首先设计自己的目标！

然而，从光的结构开始从未如此容易，而且，每个人都在使用某种形式的结构光，即使不是通过设计。与其使用激光器发出的光，为什么不为您的特定应用量身定制呢？这是一个机会：结构光，专为特定目的而设计。