物理学院张沛教授团队近期在复杂散射环境下光场调控与高维光通信研究方面取得重要进展。团队提出了一种基于稀疏正则化拉盖尔–高斯基传输矩阵的轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）模式恢复方法，实现了强散射条件下高保真、低串扰的单位间隔OAM模式传输。相关成果以“Crosstalk-Mitigated OAM Recovery Through Strong Scattering via Sparsity-Regularized LG-TM”为题，发表于国际顶级光学期刊《Laser & Photonics Reviews》。

轨道角动量光束由于具有丰富的正交空间模式和理论上无限维的模式空间，在高容量光通信、量子信息以及光学传感等领域展现出重要应用潜力。然而，在实际传播过程中，湍流、散射介质等复杂环境会严重破坏OAM光束携带的螺旋相位结构，使不同OAM模式之间产生严重串扰，导致高维OAM编码系统的传输容量和可靠性受到限制。

图1 强散射情形下低串扰OAM模式恢复示意图

如图1所示，目前，基于散斑相关和散射矩阵的方法已被用于散射环境下OAM信息恢复。然而，现有方案通常采用间隔为2（Δl=2）的OAM模式编码方式，通过增大相邻模式之间的拓扑荷差异来降低模式间串扰。该策略虽然能够提升模式区分度，但同时限制了低阶OAM模式的有效利用。由于高阶OAM模式在传播过程中具有更大的发散角，需要更大的接收孔径，从而限制了OAM编码系统在实际高容量光通信中的应用。

针对上述问题，张沛教授团队提出了一种结合LG基矢传输矩阵与稀疏先验约束的OAM恢复新方法。该方法利用OAM模式在拉盖尔–高斯基中的天然稀疏表示特性，将稀疏正则化引入散射光场相位恢复过程，通过总变分正则化算法提升重构模式的保真度。相比传统Gerchberg–Saxton相位恢复算法，该方法在低信噪比和强散射条件下均表现出更高的恢复精度和更强的鲁棒性。

研究进一步突破了传统OAM编码中模式间隔采样的限制，实现l=[-50,50]范围内单位间隔（Δl=1）的OAM模式恢复。实验结果表明，所恢复模式保真度超过99.06%，最大串扰降低至−20.43 dB，相比已有方法，该方案将重构OAM模式的范围扩展了四倍，并将模式之间的降低了约11倍，显著提升了强散射环境下OAM编码系统的传输容量与可靠性。

该方法进一步实现了基于8个低阶OAM模式（l=[-4,3]）的无误码信息传输。在强散射条件下，8个低阶OAM通道仍保持良好的模式正交性，最大串扰仅为−32.99 dB，重构保真度达到99.27%–99.78%。利用该低阶OAM二值编码方案，研究团队实现了8位灰度图像的无误码传输，验证了该方案在高容量、低串扰光通信中的应用潜力。

此外，该研究成果在医工交叉领域具有潜在应用价值。针对生物组织强散射导致光学信息衰减的问题，研究提出的稀疏先验约束散射光场重构方法为复杂生物环境中的高保真光信息获取提供了新思路。未来，该技术有望结合计算光学、智能成像和医学诊断方法，推动其在深层组织成像、无创检测等医工交叉领域的应用。

该论文第一作者为物理学院医工交叉博士后马光东，通讯作者为物理学院马光东助理教授、刘瑞丰教授、张沛教授、李福利教授和第一附属医院吴荣谦教授。研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省数理基础科学研究项目、西安交通大学医工交叉团队建设项目等的支持。

张沛教授为国家级青年人才，团队长期围绕结构光的制备、传输与调控开展深入研究，并将这些技术应用于光学成像与通讯领域，在相关理论方法发展和物理机理揭示等方面取得一系列原创性成果，主持多项国家自然科学基金、装备预研重大课题和装备预研教育部联合基金重点项目子课题，近5年在PRL、Nature Communications, Light: Science & Applications、Optica、Laser & Photonics Reviews 等物理学高水平期刊发表论文40余篇。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71687