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近日，西北大学物理学院齐新元教授团队在结构光场调控与自由空间光通信交叉领域取得重要进展，成功提出并实验验证了一种具有多维调控性与抗湍流特性的向日葵结构光束（Sunflower Beam, SFB），并基于此实现了高效、鲁棒的光通信。相关研究成果以“Multidimensional Controllable Sunflower Beams: Turbulence-Resistant Encoding in Free-Space Optical Communication”为题发表于光学领域权威期刊《Journal of the Optical Society of America A》。薛少杰为第一作者，齐新元为唯一通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金（项目编号：12174307）的资助。

原文链接:https://doi.org/10.1364/JOSAA.587986

自由空间光通信凭借其超大带宽与高安全性被视为下一代无线通信的关键技术，然而大气湍流引起的光束波前畸变与轨道角动量模式串扰，长期以来严重制约着通信距离与保真度的提升。尽管环形艾里光束、贝塞尔光束、针状光束等结构光场已被探索用于抑制湍流影响，但现有方案在多维参数协同调控与抗干扰编码能力方面仍存在明显不足，难以满足复杂大气环境下高容量、高鲁棒性通信的需求。

针对上述技术瓶颈，齐新元教授团队创新性地将superformula相位调制与环形艾里光束相结合，构建出向日葵结构光束。该光束通过六个独立参数（m, n₁,n₂,n₃,a,b）的协同设计，实现了对花瓣数量、花瓣形态以及旋转对称性的精准控制。图1展示了向日葵光束的形成过程与典型光强分布，清晰呈现出类似向日葵种盘的复杂对称结构。

图1 向日葵结构光束（SFBs）的生成原理与自聚焦传播演化特征

进一步，为验证光束在实际大气湍流环境中的传输稳定性，团队采用多相位屏模型（10个等间距随机相位屏，总传输距离3.1 km）开展了系统性仿真。皮尔逊相关系数（PCC）评估表明，即使在强湍流条件（C_n²=2.5x10^-16m^-2/3）下，所有参数构型的PCC值均保持在0.8以上，拓扑特征得以完好保留，证实了该光束优异的抗湍流能力。

 图2 向日葵结构光场在不同大气湍流强度（C_n²）下的皮尔逊相关系数（PCC）定量评估。

在上述物理机制与鲁棒性研究基础上，团队进一步构建了基于卷积神经网络（CNN）的智能光通信编码解码系统。如图3所示，系统利用向日葵光束的三个可调维度（花瓣数m、形态参数n₂、对称因子a,b）构建了150种独立光场状态，其中128种用于映射7比特二进制数据，22种用于帧同步与差错控制。在C_n²=5x10^-17m^-2/3的大气湍流环境下，3.1 km传输后的参数识别准确率达到94.9%，比特误码率（BER）低至0.076。以标准256×256像素8位灰度图像“Cameraman”为传输基准，重建图像的主要结构与细节清晰可辨，证明了该方案在复杂大气信道中的高鲁棒性。

图3 基于多维光场参数编码与卷积神经网络（ResNet-18）智能解码的自由空间光通信系统架构及图像复原结果

该研究首次在同一物理框架下实现了结构光场的多维可控生成、抗湍流传输与智能编码解码的一体化功能，为拓扑结构光通信提供了可扩展的技术范例。研究成果不仅丰富了结构光场调控与大气光通信的理论体系，也为下一代自由空间光通信、水下光无线通信以及量子密钥分发等领域提供了高性能、高鲁棒性的物理层编码新方案。团队指出，通过引入高速空间光调制器与扩展至1550 nm通信波段，该系统有望实现Gb/s级传输速率，并在更强湍流环境下保持极低误码率，具有重要的工程应用前景。

2026-Xue-Multidimensional controllable sunflower beams turbulence-resistant encoding in free-space optical communication.pdf