DOI: https://doi.org/10.1038/s42005-026-02515-9
تاريخ النشر: 2026-01-27
المؤلف: Yingning Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزخم الزاوي المداري في البصريات
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يتناول المؤلفون تحدي القياس البصري في المياه المعكرة، حيث يحد التشتت بشكل كبير من المسافة القابلة للكشف عن الإشارات. يقترحون نهجًا مبتكرًا باستخدام شعاع ذو هيكل يشبه البتلة، يتم توليده من خلال دمج أوضاع بيسيل-غاوسي (BG) مع ترتيبين مميزين من الزخم الزاوي المداري (OAM). تؤدي هذه التكوينات إلى ملف كثافة عرضي يتميز بميزة تشبه البتلة المزدوجة التي لا تدور فقط أثناء الانتشار ولكنها تسمح أيضًا بتوزيع كثافة طولي قابل للتخصيص.
تكمن النقطة الأساسية في هذا الأسلوب في قدرته على الحفاظ على الطاقة في منطقة البتلة المركزية من خلال إعادة توزيع الطاقة من الجوانب، مما يعزز النطاق الفعال للكشف. تظهر النتائج التجريبية تحسنًا ملحوظًا، مع زيادة تبلغ حوالي 13 ديسيبل في قوة البتلة على مسافة 0.4 متر مقارنة بالطرق التقليدية التي تستخدم شعاعًا ذو هيكل ثنائي $k_z$. علاوة على ذلك، تحقق التقنية المقترحة متوسط خطأ في القياس أقل من 5 مم على مدى 0.4 متر في المياه المعكرة، بينما تظهر الطرق التقليدية قيودًا كبيرة، حيث تفشل بعد 0.25 متر وتؤدي إلى متوسط خطأ يتجاوز 80 مم.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الاهتمام المتزايد بالأشعة الضوئية للقياس تحت الماء، وخاصة باستخدام الضوء الأزرق-الأخضر بسبب فعاليته في الانتشار في الماء. تواجه الطرق التقليدية غير البصرية، مثل الترددات الراديوية والموجات الصوتية، قيودًا كبيرة بسبب الامتصاص والتباعد، على التوالي. استخدمت التطورات الأخيرة في القياس البصري تحت الماء تقنيات زمن الرحلة (ToF) والموجات المستمرة المعدلة بالتردد (FMCW)، التي تعتمد على أشكال موجية ضوئية مشفرة زمنياً. ومع ذلك، تكافح هذه الطرق مع الدقة في الظروف القاسية تحت الماء بسبب اتساع النبض والحاجة إلى عزل الضوء غير المتشتت عن الفوتونات المتشتتة.
يتم اقتراح نهج بديل يستخدم تقنيات المجال المكاني، مستفيدًا من الخصائص المكانية للأشعة الضوئية لتقدير المسافة. على وجه التحديد، تظهر الأشعة المكونة من أوضاع مكانية متعامدة، مثل أوضاع بيسيل-غاوسي (BG) مع ترتيبات مختلفة من الزخم الزاوي المداري (OAM)، ملف كثافة عرضي فريد يشبه البتلة المزدوجة الذي يدور مع المسافة، مما يسمح بقياسات المسافة بناءً على هذا الدوران الزاوي. يظهر هذا الأسلوب وعدًا في البيئات المعكرة، حيث يقدم دقة كشف محسنة وتوليد شعاع مضغوط باستخدام الدوائر المتكاملة الضوئية (PICs) أو الأسطح الميتا. يقدم البحث تقنية جديدة للقياس البصري المقاومة للاعتام تستخدم الضوء الهيكلي المكاني مع كثافة طولية قابلة للتعديل، مما يحقق تحسينًا كبيرًا في توزيع الطاقة ودقة القياس في المياه المعكرة، متفوقًا على الطرق التقليدية. تظهر النتائج التجريبية زيادة تبلغ حوالي 13 ديسيبل في قوة البتلة ومتوسط خطأ أقل من 5 مم على مدى 0.4 متر، بينما تفشل الطرق التقليدية في الكشف عن الأجسام التي تتجاوز 0.25 متر.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون إعدادًا تجريبيًا للقياس تحت الماء للتحقيق في انتشار الضوء في وسط متشتت. تم توجيه شعاع ليزر بزاوية 520 نانومتر إلى جهاز تعديل الضوء المكاني (SLM) لترميز أنماط شعاع القياس المحددة. تم تصفية الشعاع المعدل من خلال فلتر مكاني 4-f لإزالة المكونات غير المعدلة والمشتتة من الدرجة الأعلى قبل أن يتم نقله عبر خزان ماء. عكس مرآة، موضوعة على مرحلة نقل كهربائية التحكم مع نطاق سفر يبلغ 0.4 متر، الشعاع، بينما قامت كاميرا CMOS ثابتة بالتقاط ملف الشعاع للكشف عن الدوران الزاوي، مع الحفاظ على وقت تعرض ثابت يبلغ 0.1 مللي ثانية.
لإدخال العكارة في الماء، تم تحريك كميات مسبقة القياس من معلق مضاد الحموضة Maalox® في الخزان. تم استخدام شعاع غاوسي منفصل لقياس معامل التوهين، المرموز له بـ $\gamma$، من خلال مقارنة الطاقة المدخلة قبل الوسط والطاقة الناتجة على المحور، مع تصفية الفوتونات غير الباليستية. تم حساب معامل التوهين $\gamma$ باستخدام المعادلة المقدمة في الورقة، مع طول مسار أحادي الاتجاه يبلغ $z = 0.5$ متر. من خلال تغيير تركيز Maalox، تم تعديل $\gamma$ إلى قيم تتراوح من 0 م$^{-1}$ إلى 6.5 م$^{-1}$، وهي أعلى بكثير من التوهين النموذجي في مياه المحيط الساحلية ($\gamma \approx 0.4$ م$^{-1}$).
نتائج
تحدد قسم النتائج المبادئ والنتائج المتعلقة بالقياس البصري باستخدام الأشعة الهيكلية المكونة من وضعين بيسيل-غاوسي (BG) مع ترتيبات مميزة من الزخم الزاوي المداري (OAM)، على وجه التحديد $\ell_1 = +1$ و $\ell_2 = -1$. تخلق هذه الأوضاع ملف كثافة يشبه البتلة، مع فرق في عدد الموجات الطولية $\Delta k_z = |k_{z1} – k_{z2}|$ الذي يؤدي إلى تحول خطي في الطور أثناء الانتشار. يمكن حساب المسافة إلى جسم باستخدام العلاقة $\Delta z = \frac{n_{\text{water}} \Delta l}{2 \Delta k_z \Delta \theta}$، حيث $n_{\text{water}}$ هو معامل انكسار الوسط. ومع ذلك، تتناقص قوة البتلة المركزية بشكل أسي بسبب التشتت، كما هو موصوف بقانون بير-لامبرت، مما يؤدي إلى نطاق قابل للكشف محدود.
لتحسين أداء نظام القياس البصري، يقترح المؤلفون تصميم شعاع جديد يتضمن بتلات مقاومة للاعتام. من خلال استخدام تركيبة خطية من أوضاع بيسيل متعددة مع قيم $k_z$ متغيرة، يمكن التحكم في القوة المركزية للشعاع لزيادة بشكل أسي على طول اتجاه الانتشار. يتم تحقيق ذلك من خلال اختيار دقيق للمعاملات المعقدة المستمدة من تحليل فورييه للملف الكثافة المطلوب. يسمح الشكل الناتج، الممثل كـ $\Psi(r, \theta, z, t) = \sum_{m=-N}^{N} A_m J(k_{r,m} r) e^{i k_{z,m} z} e^{-i \omega t}$، بالتداخل البناء بين مكونات $k_z$، مما يعزز الكثافة المركزية بينما يشكل ملفات الشعاع العرضية والطولية. يجب أن تأخذ معلمات التصميم في الاعتبار أقصى مسافة عمل $L$، التي تؤثر على توافق الطور وتوزيع الطاقة، مما يحسن في النهاية فعالية القياس البصري تحت الماء.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون النتائج التجريبية وآثار نهجهم المقترح للأشعة متعددة $k_z$ للقياس البصري تحت الماء، الذي يستخدم أشعة هيكلية، تشبه البتلة، لتعزيز الكشف في البيئات المعكرة. تظهر الدراسة أنه من خلال دمج أوضاع بيسيل-غاوسي (BG) متعددة عبر أعداد موجية طولية مختلفة وترتيبات الزخم الزاوي المداري (OAM)، تقوم الطريقة بشكل فعال بإعادة توزيع قوة الشعاع من الجوانب إلى منطقة البتلة المركزية، مما يحسن بشكل كبير من الكثافة المركزية ويوسع النطاق القابل للكشف دون تشبع الكاشف على المسافات القصيرة. تشير النتائج إلى أن الأشعة متعددة $k_z$ تتفوق على الأشعة التقليدية ثنائية $k_z$، خاصة في ظروف التشتت، مع تحسينات ملحوظة في قوة البتلة المركزية ودقة القياس.
يبرز المؤلفون أهمية تحسين معامل إعادة التوزيع، α، الذي يؤثر على ملف الكثافة والأداء تحت ظروف تشتت متغيرة. يشيرون إلى أنه بينما يمكن أن تعزز القيم الأعلى من α الأداء في البيئات ذات التشتت القوي، قد تؤدي القيم الكبيرة بشكل مفرط إلى تقليل القوة الأولية للبتلة وتحديات الكشف على المسافات القريبة. تؤكد المناقشة على الحاجة إلى استراتيجيات تكيفية لأخذ التغيرات المكانية والزمنية في الوسط المتشتت في الاعتبار، مقترحة أن القياسات في الوقت الحقيقي لمعامل التوهين يمكن أن توجه التعديلات على α لتحسين المتانة. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية توسيع النهج لمسافات أطول، والتكامل مع التقنيات الضوئية، واستكشاف التطبيقات في بيئات تشتت أخرى، مثل الظروف الجوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s42005-026-02515-9
Publication Date: 2026-01-27
Author(s): Yingning Wang et al.
Primary Topic: Orbital Angular Momentum in Optics
Overview
In this study, the authors address the challenge of optical ranging in turbid water, where scattering significantly limits the detectable distance of signals. They propose an innovative approach using a petal-like structured beam, generated by combining Bessel-Gaussian (BG) modes with two distinct orders of orbital angular momentum (OAM). This configuration results in a transverse intensity profile characterized by a two-petal-like feature that not only rotates during propagation but also allows for a customizable longitudinal intensity distribution.
The key advancement of this method lies in its ability to preserve power in the central petal region by redistributing energy from the sidelobes, thereby enhancing the effective range of detection. Experimental results demonstrate a notable improvement, with a ~13 dB increase in petal power at a distance of 0.4 m compared to traditional methods utilizing a two-$k_z$ structured beam. Furthermore, the proposed technique achieves an average ranging error of less than 5 mm over the full 0.4 m distance in turbid water, while conventional approaches exhibit significant limitations, failing beyond 0.25 m and resulting in an average error exceeding 80 mm.
Introduction
The introduction highlights the increasing interest in optical beams for underwater ranging, particularly using blue-green light due to its effective propagation in water. Traditional non-optical methods, such as radio frequencies and acoustic waves, face significant limitations due to absorption and divergence, respectively. Recent advancements in underwater optical ranging have employed time-of-flight (ToF) and frequency-modulated continuous wave (FMCW) techniques, which rely on time-encoded optical waveforms. However, these methods struggle with accuracy in harsh underwater conditions due to pulse broadening and the need to isolate unscattered light from scattered photons.
An alternative approach utilizing spatial-domain techniques is proposed, leveraging the spatial characteristics of optical beams for distance estimation. Specifically, beams composed of orthogonal spatial modes, such as Bessel-Gaussian (BG) modes with varying orbital angular momentum (OAM) orders, exhibit a unique two-petal transverse intensity profile that rotates with distance, allowing for distance measurements based on this angular rotation. This method shows promise in turbid environments, offering improved detection accuracy and compact beam generation using photonic integrated circuits (PICs) or metasurfaces. The paper introduces a novel attenuation-resilient optical ranging technique that utilizes spatially structured light with adjustable longitudinal intensity, achieving a significant enhancement in power distribution and measurement accuracy in turbid water, outperforming conventional methods. Experimental results demonstrate a ~13 dB increase in petal power and an average error of less than 5 mm over a 0.4-meter range, while traditional methods fail to detect objects beyond 0.25 meters.
Methods
In this study, the authors employed an experimental underwater ranging setup to investigate light propagation in a scattering medium. A 520 nm laser beam was directed onto a spatial light modulator (SLM) to encode specific ranging-beam patterns. The modulated beam was filtered through a 4-f spatial filter to eliminate unmodulated and higher-order diffraction components before being transmitted through a water tank. A mirror, positioned on an electrically controlled translation stage with a travel range of 0.4 m, reflected the beam, while a fixed CMOS camera captured the beam profile for angular rotation detection, maintaining a constant exposure time of 0.1 ms.
To introduce turbidity into the water, pre-measured volumes of Maalox® antacid suspension were stirred into the tank. A separate Gaussian beam was used to measure the attenuation coefficient, denoted as $\gamma$, by comparing the input power before the medium and the on-axis output power, while filtering out non-ballistic photons. The attenuation coefficient $\gamma$ was calculated using the equation provided in the paper, with a one-way path length of $z = 0.5$ m. By varying the concentration of Maalox, $\gamma$ was adjusted to values ranging from 0 m$^{-1}$ to 6.5 m$^{-1}$, which are significantly higher than the typical attenuation in coastal ocean water ($\gamma \approx 0.4$ m$^{-1}$).
Results
The results section outlines the principles and findings related to optical ranging using structured beams composed of two Bessel-Gauss (BG) modes with distinct orbital angular momentum (OAM) orders, specifically $\ell_1 = +1$ and $\ell_2 = -1$. These modes create a petal-like intensity profile, with a longitudinal wavenumber difference $\Delta k_z = |k_{z1} – k_{z2}|$ that induces a linear differential phase shift during propagation. The distance to an object can be calculated using the relationship $\Delta z = \frac{n_{\text{water}} \Delta l}{2 \Delta k_z \Delta \theta}$, where $n_{\text{water}}$ is the refractive index of the medium. However, the power of the central petal diminishes exponentially due to scattering, as described by the Beer-Lambert law, leading to a limited detectable range.
To enhance the performance of the optical ranging system, the authors propose a novel beam design that incorporates attenuation-resilient petals. By employing a linear combination of multiple Bessel modes with varying $k_z$ values, the central power of the beam can be controlled to increase exponentially along the propagation direction. This is achieved through careful selection of complex coefficients derived from a Fourier decomposition of the desired intensity profile. The resulting waveform, represented as $\Psi(r, \theta, z, t) = \sum_{m=-N}^{N} A_m J(k_{r,m} r) e^{i k_{z,m} z} e^{-i \omega t}$, allows for constructive interference among the $k_z$ components, enhancing the central intensity while shaping the beam’s transverse and longitudinal profiles. The design parameters must consider the maximum working distance $L$, which influences phase matching and energy distribution, ultimately improving the effectiveness of underwater optical ranging.
Discussion
In this section, the authors discuss the experimental results and implications of their proposed multi-k_z beam approach for underwater optical ranging, which utilizes spatially structured, petal-like beams to enhance detection in turbid environments. The study demonstrates that by combining multiple Bessel-Gauss (BG) modes across different longitudinal wavenumbers and orbital angular momentum (OAM) orders, the method effectively redistributes beam power from sidelobes to the central petal region, significantly improving central intensity and extending the detectable range without saturating the detector at short distances. The results indicate that multi-k_z beams outperform conventional two-k_z beams, particularly in scattering conditions, with notable improvements in central petal power and ranging accuracy.
The authors highlight the importance of optimizing the redistribution coefficient, α, which influences the intensity profile and performance under varying scattering conditions. They note that while higher values of α can enhance performance in strongly scattering environments, excessively large values may lead to reduced initial petal power and detection challenges at close ranges. The discussion emphasizes the need for adaptive strategies to account for spatial and temporal variations in the scattering medium, suggesting that real-time measurements of the attenuation coefficient could guide adjustments to α for improved robustness. Future research directions include scaling the approach for longer ranges, integrating with photonic technologies, and exploring applications in other scattering environments, such as atmospheric conditions.