盡管“結(jié)構(gòu)光”一詞大約在十年前才被創(chuàng)造出來(lái)，但控制光的概念由來(lái)已久。第一個(gè)有記錄的關(guān)于裁剪光線的描述是在Syracuse圍城期間（約公元前213–211年）的一個(gè)可能是虛構(gòu)的故事，即使用多個(gè)鏡子來(lái)塑造羅馬船只上的陽(yáng)光強(qiáng)度，使其成為多面非相干光束成形的一個(gè)例子。在此，Andrew Forbes講述了結(jié)構(gòu)光定制方面的研究進(jìn)展。該工作發(fā)表在Optics & Photonics News上。

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

結(jié)構(gòu)光是指在所有自由度（無(wú)論在時(shí)間和頻率上）對(duì)光進(jìn)行剪裁或整形，以產(chǎn)生超快的剪裁時(shí)間脈沖；或者，更常見(jiàn)的是，控制光的空間自由度，例如偏振、振幅和相位。盡管“結(jié)構(gòu)光”一詞大約在十年前才被創(chuàng)造出來(lái)，但控制光的概念由來(lái)已久。第一個(gè)有記錄的關(guān)于裁剪光線的描述是在Syracuse圍城期間（約公元前213–211年）的一個(gè)可能是虛構(gòu)的故事，即使用多個(gè)鏡子來(lái)塑造羅馬船只上的陽(yáng)光強(qiáng)度，使其成為多面非相干光束成形的一個(gè)例子。透鏡和成像系統(tǒng)同樣可以被認(rèn)為是裁剪光的早期形式。

然而，正是激光的出現(xiàn)，才真正控制了光的結(jié)構(gòu)。更為人所知的是激光束整形，該領(lǐng)域在20世紀(jì)80年代末和90年代初，在光學(xué)和計(jì)算相互作用的推動(dòng)下開(kāi)始發(fā)展。更好的光學(xué)技術(shù)導(dǎo)致了小型微電子光刻技術(shù)的進(jìn)步，為更快的計(jì)算機(jī)提供了動(dòng)力；計(jì)算能力和光刻技術(shù)的提高反過(guò)來(lái)又允許計(jì)算和制造新的光學(xué)設(shè)計(jì)。

從衍射光學(xué)元件到數(shù)字微鏡器件

這種相互作用導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)生成全息圖的出現(xiàn)，這些全息圖被實(shí)現(xiàn)為衍射光學(xué)元件。以前用于高級(jí)模式識(shí)別的傅里葉“技巧”現(xiàn)在可以被推廣并實(shí)現(xiàn)為用于任意光控制的高性能、純相位元件。盡管有潛力，但吸收主要限于塑造光強(qiáng)度，例如，用于各種工業(yè)應(yīng)用的高斯到平頂強(qiáng)度轉(zhuǎn)換器。一次性元件的制造成本很高，通常達(dá)到數(shù)萬(wàn)美元，這是一個(gè)主要障礙。同時(shí)，自由曲面和非球面技術(shù)還沒(méi)有達(dá)到他們今天所享受的多功能性，因此，折射解決方案的廉價(jià)選擇非常有限。

結(jié)構(gòu)光場(chǎng)進(jìn)展緩慢，直到開(kāi)發(fā)出用于光子應(yīng)用的商用可重寫空間光調(diào)制器。20世紀(jì)70年代，休斯飛機(jī)公司奠定了今天的硅基液晶空間光調(diào)制器的基礎(chǔ)，但這些光調(diào)制器在2000年代初至中期才從傳統(tǒng)投影儀市場(chǎng)進(jìn)入光子結(jié)構(gòu)光器件。這種容易獲得、可重寫的實(shí)現(xiàn)技術(shù)推動(dòng)了結(jié)構(gòu)光研究的爆發(fā)。以效率為代價(jià)提高速度和降低成本的數(shù)字微鏡器件有望在今天取得類似的進(jìn)步。

所有這些方法和工具都控制光的振幅和動(dòng)態(tài)相位。然而，任何結(jié)構(gòu)光庫(kù)中的另一個(gè)重要組成部分是利用幾何相位，這可能通過(guò)液晶全息圖和元表面實(shí)現(xiàn)。計(jì)算能力加上制造技術(shù)的進(jìn)步，再次有助于重塑光子學(xué)中的機(jī)遇，使人們能夠輕松地調(diào)整光的偏振結(jié)構(gòu)，使其超越空間均勻狀態(tài)。這與振幅和動(dòng)態(tài)相位的控制相結(jié)合，允許在許多情況下使用商用現(xiàn)成的設(shè)備輕松創(chuàng)建任意形式的結(jié)構(gòu)光。

振幅、相位和偏振

人們希望有一個(gè)工具包，能夠?qū)⒁粋€(gè)初始光場(chǎng)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)振幅、相位和偏振的光場(chǎng)。目前，存在多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻偏振標(biāo)量光束的振幅和相位控制。創(chuàng)建奇點(diǎn)偏振結(jié)構(gòu)需要對(duì)光的右圓偏振和左圓偏振或線性偏振分量如何出現(xiàn)的光學(xué)場(chǎng)中的每個(gè)偏振矢量進(jìn)行幅度和相位控制。具有不同空間結(jié)構(gòu)的兩個(gè)分量之和產(chǎn)生了具有空間非均勻偏振結(jié)構(gòu)的光的矢量狀態(tài)。例如，如果兩個(gè)圓偏振態(tài)具有相反螺旋度的角向相位，則生成的光束將是圓柱對(duì)稱的矢量結(jié)構(gòu)：一個(gè)例子是具有徑向指向各處的線性偏振矢量的徑向偏振光。

由于結(jié)構(gòu)化矢量光束只是兩個(gè)結(jié)構(gòu)化標(biāo)量光束的總和，因此，傳統(tǒng)的標(biāo)量光束工具包可以單獨(dú)應(yīng)用，然后，以干涉方式添加。這僅利用動(dòng)態(tài)階段。幾何相位也可以通過(guò)元表面上的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，或通過(guò)液晶中的大規(guī)模結(jié)構(gòu)來(lái)利用，以引起每個(gè)偏振都不同的相位變化，從而直接產(chǎn)生矢量光束。有趣的是，在小特征尺寸衍射光學(xué)元件的早期，矢量效應(yīng)是已知的，但通常被認(rèn)為是不需要的偽影；今天，這些效應(yīng)提供了對(duì)結(jié)構(gòu)光的完全控制。

來(lái)自激光器的結(jié)構(gòu)光

在結(jié)構(gòu)光激光器中，也可以直接在光源處產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光。研究人員在早期的激光器中從腔中制造出結(jié)構(gòu)光，使用腔內(nèi)線、光闌和孔徑來(lái)產(chǎn)生厄米-高斯和拉蓋爾-高斯光束。通常，腔內(nèi)方法用于“非結(jié)構(gòu)化”光，例如，使用簡(jiǎn)單的圓孔僅產(chǎn)生高斯模式而不產(chǎn)生許多橫向模式，或者使用自適應(yīng)光學(xué)消除熱像差中的相位結(jié)構(gòu)。增益控制而非損耗控制也可用于從激光器產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光，例如，通過(guò)使用數(shù)字微鏡裝置動(dòng)態(tài)地形成泵浦激光器的光場(chǎng)。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，腔內(nèi)相位元件被廣泛用于從激光器產(chǎn)生奇點(diǎn)狀態(tài)的光。這樣的方案通過(guò)在激光器的輸出處定義期望的強(qiáng)度和相位并將其反向傳播到后鏡來(lái)工作。如果反射鏡充當(dāng)相位共軛元件，那么期望的光束將在輸出端再次出現(xiàn)。由于此過(guò)程在每次往返后重復(fù)，因此指定模式是腔的本征模式。

一種特別受歡迎的結(jié)構(gòu)光形式是攜帶軌道角動(dòng)量的光——“甜甜圈”狀光束，其特征是方位扭曲的相位分布和中心強(qiáng)度零。直接從激光器中創(chuàng)建軌道角動(dòng)量模式并非易事，因?yàn)樽匀唤鐭o(wú)法分辨順時(shí)針和逆時(shí)針扭曲模式的區(qū)別：它們具有相同的傳播動(dòng)力學(xué)、相同的光束大小、相同的波前曲率等，使得它們?cè)诩す馄髦泻茈y區(qū)分。矛盾的是，創(chuàng)建如此美麗的對(duì)稱模式通常需要某種形式的對(duì)稱破壞。一種這樣的方法是使用幾何相位，通過(guò)外來(lái)結(jié)構(gòu)物質(zhì)，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光的新?tīng)顟B(tài)。

結(jié)構(gòu)光菜單

上面概述的工具包已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多形式的結(jié)構(gòu)光的創(chuàng)建。這些包括厄密-高斯、拉蓋爾-高斯和更一般的因斯-高斯光束形式的自由空間的眾所周知的本征模，以及許多光纖系統(tǒng)的本征模式，包括線偏振和圓柱矢量渦旋模式。

只考慮光場(chǎng)的特定方面，而不是它的整體，就可以讓一個(gè)人設(shè)計(jì)出彎曲物理規(guī)則的光。一個(gè)例子是“非衍射”貝塞爾光束，它看起來(lái)傳播而不擴(kuò)散，但僅當(dāng)考慮光束的中心區(qū)域時(shí)。另一種是著名的艾里光束，它似乎橫向加速，并在彎曲的軌跡上傳播，但僅當(dāng)考慮主瓣時(shí)；整個(gè)光束以恒定速度沿著直線路徑行進(jìn)。

結(jié)構(gòu)光的一般形式已經(jīng)被展示出來(lái)，包括徑向和角加速光束、光子鉤、焦散光束、優(yōu)雅的拉蓋爾-高斯光束和厄米-高斯光束，以及奇點(diǎn)的偏振奇異結(jié)構(gòu)，包括所謂的檸檬態(tài)、恒星態(tài)、季風(fēng)態(tài)、蜘蛛態(tài)、網(wǎng)狀態(tài)和花態(tài)。光的軌道角動(dòng)量狀態(tài)顯示出扭曲的螺旋相結(jié)構(gòu)，像螺旋樓梯；扭曲可以是順時(shí)針或逆時(shí)針的，并且每個(gè)波長(zhǎng)扭曲一次、兩次、三次或更多次，導(dǎo)致光束中心處的相位奇點(diǎn)和隨著扭曲量增加的零強(qiáng)度區(qū)域。

這些二維橫向狀態(tài)的創(chuàng)建可以推廣到空間的某個(gè)區(qū)域中的任意三維結(jié)構(gòu)光，通常圍繞某個(gè)焦點(diǎn)。這方面的例子包括偏振Mobius-strip光束的產(chǎn)生、相位和偏振中的打結(jié)奇點(diǎn)、Talbot陣列光束和光的分形狀態(tài)。有時(shí)，保持一維較小是有益的，如用于顯微鏡的光板的情況，或者在三維光傳播期間使二維結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

最近，二維光已經(jīng)通過(guò)多次二維相位修改在許多平面上進(jìn)行了調(diào)制，將簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)光演變?yōu)楦娈惖亩嗄B(tài)形式，在光通信的背景下對(duì)創(chuàng)建和檢測(cè)都有用，甚至可以作為高維量子門。另一個(gè)新興領(lǐng)域是光的空間和時(shí)間控制的四維控制，這在很大程度上仍有待探索。

結(jié)構(gòu)光的量子態(tài)概念為探測(cè)提供了一個(gè)特別有趣的角度。量子探測(cè)的作用類似于經(jīng)典創(chuàng)造。

檢測(cè)結(jié)構(gòu)光

在創(chuàng)建了結(jié)構(gòu)光之后，還想檢測(cè)它。在大多數(shù)情況下，光的互易性允許檢測(cè)步驟是向后運(yùn)行的創(chuàng)建步驟。解開(kāi)相位、振幅和偏振后，初始光束通常恢復(fù)為高斯光束。一個(gè)簡(jiǎn)單的單像素檢測(cè)器或耦合到單模光纖允許通過(guò)模態(tài)分解對(duì)場(chǎng)進(jìn)行定量分析。這些方法本質(zhì)上只不過(guò)是早期光學(xué)模式識(shí)別中的匹配濾波器技術(shù)，通過(guò)使用兩步無(wú)損保形映射確定地對(duì)各種模式進(jìn)行分類，可以使其更有效。這種模式分選器已經(jīng)開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于拉蓋爾-高斯、厄米-高斯和貝塞爾光束。

結(jié)構(gòu)光的量子態(tài)概念為探測(cè)提供了一個(gè)特別有趣的角度。量子探測(cè)的作用類似于經(jīng)典創(chuàng)造。在結(jié)構(gòu)光量子實(shí)驗(yàn)的香草版本中，高斯泵浦激發(fā)非線性晶體中的自發(fā)參數(shù)下轉(zhuǎn)換過(guò)程，產(chǎn)生兩個(gè)以空間模式糾纏的光子。但這種狀態(tài)直到被測(cè)量后才被定義：糾纏可以用任何空間模式來(lái)表示，因此不能將這兩個(gè)光子稱為“是”厄米-高斯、拉蓋爾-高斯或貝塞爾模式。一種模式對(duì)另一種模式的后選擇將狀態(tài)塌陷為被測(cè)量的狀態(tài)。

由于許多空間模式集是正交和完整的，它們形成了一種自然的方式來(lái)表達(dá)糾纏。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這是具有光模式的量子力學(xué)，它之所以有效，是因?yàn)槟Ｊ娇梢允仟?dú)特的。希望是利用無(wú)限數(shù)量的模式來(lái)訪問(wèn)無(wú)限大的希爾伯特空間，以提出量子力學(xué)的基本問(wèn)題，并利用糾纏作為資源。

輕盈貼合

考慮到結(jié)構(gòu)光場(chǎng)控制的多功能性，它們?cè)诙鄠€(gè)學(xué)科中發(fā)現(xiàn)了許多應(yīng)用并不奇怪。

光學(xué)捕獲和鑷子。因?yàn)椴东@依賴于與強(qiáng)度梯度成比例的梯度力，所以剪裁光打開(kāi)了新的可能性。除了普遍存在的高斯模式之外，陷阱還利用軌道角動(dòng)量模式來(lái)設(shè)計(jì)，以形成光學(xué)“扳手”，以超快的速度旋轉(zhuǎn)物質(zhì)；用于光學(xué)介導(dǎo)粒子清除的艾里光束；貝塞爾光束在多個(gè)平面上捕獲粒子，對(duì)血細(xì)胞進(jìn)行光學(xué)分類，形成光學(xué)傳送帶，作為反向傳播光場(chǎng)，僅舉幾個(gè)例子。結(jié)構(gòu)光在控制微流體系統(tǒng)中的物質(zhì)和流動(dòng)方面發(fā)揮了重要作用，結(jié)構(gòu)光和結(jié)構(gòu)物質(zhì)的相互作用對(duì)于通過(guò)近場(chǎng)效應(yīng)在納米尺度上進(jìn)行控制至關(guān)重要。

超分辨率顯微鏡。受激發(fā)射損耗顯微鏡是2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?wù)J可的技術(shù)之一，通過(guò)使用兩種形式的脈沖結(jié)構(gòu)光實(shí)現(xiàn)。第一（通常為高斯）脈沖激發(fā)照明區(qū)域內(nèi)的熒光團(tuán)，第二（通常為中空）脈沖通過(guò)受激發(fā)射使環(huán)形區(qū)域內(nèi)的熒光團(tuán)返回基態(tài)。因此，只有受激發(fā)射耗盡光束中心內(nèi)的分子才會(huì)發(fā)出熒光，從而使點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)變窄，并將分辨率提高到衍射極限之外。受激發(fā)射損耗顯微鏡已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)20 nm的橫向分辨率和高達(dá)40 nm的軸向分辨率。

人們希望，結(jié)構(gòu)光能夠繼續(xù)解決未染色生物樣品中的顯微鏡差對(duì)比度、有限的時(shí)空分辨率、在照明和檢測(cè)階段深入觀察光散射樣品的困難等方面的挑戰(zhàn)。在這里，光的形式至關(guān)重要：用于選擇性平面成像的光板；迭代光束整形，以優(yōu)化光的結(jié)構(gòu)，從而更深入地觀察散射組織；拉蓋爾-高斯光束作為受激發(fā)射耗盡的空心光束。

制造業(yè)。激光驅(qū)動(dòng)制造長(zhǎng)期以來(lái)一直使用結(jié)構(gòu)光來(lái)提高加工速度和質(zhì)量，并優(yōu)化成本和效率。定制強(qiáng)度分布導(dǎo)致了高效的鉆孔，例如，VIA針對(duì)具有平頂光束的微電子鉆孔，而偏振控制對(duì)于沿任意幾何形狀切割至關(guān)重要。對(duì)于板材厚度與寬度之比較大的金屬切割，徑向偏振光提供的切割效率是線性偏振光的兩倍。

矢量光束也因其在去除相互作用區(qū)中的廢料方面的有效性以及在強(qiáng)縱向場(chǎng)分量下緊密聚焦的能力而脫穎而出。事實(shí)上，調(diào)整橫向和縱向場(chǎng)分量可以實(shí)現(xiàn)焦斑的任意整形，從而在沒(méi)有傳統(tǒng)光束整形器的情況下，有助于焦點(diǎn)處的平頂強(qiáng)度分布。無(wú)衍射光束最近改進(jìn)了薄玻璃和厚玻璃的切割以及二維分布的蝕刻。

通信帶寬和安全性。使用空間光模式作為光通信新自由度的想法可以追溯到20世紀(jì)80年代初，但在過(guò)去十年中，基于日益增長(zhǎng)的需求和現(xiàn)成的工具包，這一想法已經(jīng)獲得了廣泛的關(guān)注。理想情況下，每個(gè)模式都將作為一個(gè)新的信道，承載現(xiàn)有技術(shù)可能的最大信息容量，N個(gè)模式轉(zhuǎn)換為N倍的帶寬增益。實(shí)際上，光纖中的空間模式和湍流自由空間之間的耦合限制了信道容量，而數(shù)字信號(hào)處理校正對(duì)于大型多信道系統(tǒng)來(lái)說(shuō)變得禁止。

盡管如此，與結(jié)構(gòu)光的更快通信速度已超過(guò)每秒太比特，使用定制設(shè)計(jì)的光纖證明了不斷增長(zhǎng)的距離。大約15年前，在英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的走廊上進(jìn)行了一次開(kāi)創(chuàng)性的演示，軌道角動(dòng)量一直是人們選擇的模式，但研究顯示了其他模式的潛在好處，例如，貝塞爾光束用于自愈合連接，厄米-高斯光束用于傾翻彈性，以及以不同方式體驗(yàn)信道以利用分集的模式類型的組合。

同時(shí)，量子級(jí)的結(jié)構(gòu)光可能是提高數(shù)據(jù)安全性的關(guān)鍵。許多模式提供了對(duì)高維量子態(tài)的訪問(wèn)，已知其允許每個(gè)光子具有更高的信息容量和對(duì)噪聲的更高容忍度，這兩個(gè)都對(duì)量子密鑰分發(fā)至關(guān)重要。利用軌道角動(dòng)量及其相互無(wú)偏的基進(jìn)行了結(jié)構(gòu)光的第一次量子密鑰分配，以及具有偏振和軌道角動(dòng)量混合糾纏模式的長(zhǎng)距離自由空間（高達(dá)約300米）和光纖（高達(dá)1公里）量子鏈路。雖然用于結(jié)構(gòu)光的量子工具包仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于用于偏振的量子工具包，但潛在的好處正在推動(dòng)該領(lǐng)域的快速發(fā)展。

從光的結(jié)構(gòu)入手從未如此容易，而且，每個(gè)人都在使用某種形式的結(jié)構(gòu)光，即使不是通過(guò)設(shè)計(jì)。

開(kāi)放的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

各種國(guó)家的光子學(xué)戰(zhàn)略都將此標(biāo)記為光子世紀(jì)，光子學(xué)有望取代大部分電子技術(shù)。然而，盡管經(jīng)過(guò)幾個(gè)世紀(jì)的努力，在光子系統(tǒng)中的控制能力與在電子系統(tǒng)中的不同。用于控制結(jié)構(gòu)光的工具包雖然近年來(lái)得到了大量豐富，但大部分仍然是空白的：幾乎沒(méi)有緊湊型結(jié)構(gòu)光光源的選擇，幾乎沒(méi)有現(xiàn)成的非定制解決方案，也很少有在較高功率水平和/或快速切換率下工作的解決方案。目前，要部署結(jié)構(gòu)光解決方案，用戶必須是結(jié)構(gòu)光專家。這類似于要求所有顯微鏡用戶首先設(shè)計(jì)自己的目標(biāo)！

然而，從光的結(jié)構(gòu)開(kāi)始從未如此容易，而且，每個(gè)人都在使用某種形式的結(jié)構(gòu)光，即使不是通過(guò)設(shè)計(jì)。與其使用激光器發(fā)出的光，為什么不為您的特定應(yīng)用量身定制呢？這是一個(gè)機(jī)會(huì)：結(jié)構(gòu)光，專為特定目的而設(shè)計(jì)。