新闻网讯 12月16日，Optica杂志在线发表了我校光电信息学院现代应用光学团队马冬林副教授课题组的“Sculpting Optical Fields into Caustic Patterns based on Freeform Optics”研究论文。

操控光场的能量传递是光学研究中的重要课题，在激光微加工、光镊、光学显微成像、照明工程等领域具有广泛的应用。散焦现象是自然界和日常生活中存在的天然的光能传输调控过程，比如阳光照射流动的水面在水底形成了波纹状的图案（图1a），灯光下水杯内形成尖头状光斑（图1b）等等。这些现象展现了生活中常见的光学表面与介质对光产生聚焦效应，形成锐利且稳定的光斑图案。

图1 基于散焦现象的光能传输调控

近年来，关于自由曲面光学元件在光学设计领域的研究蓬勃发展，这种元件具有调控精度高和能量效率高的优势，适用于宏观尺寸的光束调控问题。然而，现有的设计机制主要基于偏微分方程求解光线目标位置坐标或自由曲面点云，无法处理散焦出现的情况，且对三维空间中光通量传递的调控问题研究不足。

马冬林团队提出一种自由曲面光学（freeform optics）设计方案，打破传统自由曲面光调控设计的限制，不再要求单一平面上使用完整的光线束实现规定光分布，并突破了入射光线与目标交点间双射映射关系，通过对入射光的光能进行精确地聚焦与调控，实现任意形式的锐利散焦光斑（图1c）。该方法还可以通过将光聚焦于简易的三维曲线，使光场强度峰值沿规定的空间轨迹传播，有望将自由曲面元件应用于更广泛的光调控应用中。

为了验证这种自由曲面元件的性能，研究团队进行了与基于双射映射的设计方法的对比。通过投影至空间光调制器，分别生成了四种不同尺寸的光斑分布。结果表明，基于散焦的设计相较于传统设计能够形成更锐利的图案。

图2 与传统方法设计结果对比

研究团队所还验证了基于散焦设计的其它潜力，如调控朗伯点光源发光和三维空间中的光束整形问题，部分设计结果如图3、4所示。

图3 实现散焦图案的自由曲面照明元件

图4 扩展光分布的景深

光电信息学院博士生魏诗力为论文第一作者，马冬林副教授为论文通讯作者，博士生李忆童为论文共同作者。该工作得到了国家自然科学基金、深圳市自然科学基金的资助。