南开大学的齐鹏飞、刘伟伟课题组与长春理工大学刘显著课题组合作，在姜会林院士指导下，通过建立光丝诱导液滴和气体分子的多尺度多相扩散模型，深入探究了飞秒激光成丝在云雾环境中诱导自由空间光通信信道的动力学过程，揭示气体分子和气溶胶液滴在光丝诱导信道中的散焦和引导效应的竞争贡献，为优化自由空间光通信系统在恶劣天气条件下的性能提供了重要的理论和实验依据。
相关成果以”Gas and droplet dynamics for filament-assisted free-space optical communication through clouds”为题，近期发表在Science子刊Ultrafast Science上。
引用格式:Haiyi Liu, Jiawei Zheng, Huanyu Li, Jiayun Xue, Pengfei Qi, Xianzhu Liu, Lie Lin, Weiwei Liu, Huilin Jiang. Gas and Droplet Dynamics for Filament-Assisted Free-Space Optical Communication through Clouds[J]. Ultrafast Science, 2024, 4(1): 0075.
研究背景自由空间光通信(Free-Space Optical Communication, FSOC)是无线通信领域中一种重要的通信技术，兼具光纤通信与微波通信的优势，具有传输速率高、频谱资源丰富、抗干扰能力强等优点，广泛应用于星地激光通信、应急保密通信、5G回程无线网络等领域，已成为解决微波通信瓶颈、构建天基宽带网、实现高分辨率对地观测及海量数据实时传输的有效手段。然而，大气中自由空间信道受环境因素影响巨大，复杂大气条件下雾滴、水滴等悬浮颗粒物都会导致大气衰减，从而导致自由空间光通信系统误码率增加、信道容量减小、甚至通信中断，严重影响通信链路的稳定性和可靠性。因此，复杂大气条件对通信激光定向传输的严重影响是FSOC技术亟需解决的关键问题。
随着高功率脉冲激光技术不断发展，GW~TW级飞秒激光器商用化，激光强度足以电离空气产生复杂非线性光学效应，一种“穿云透雾”技术——飞秒激光成丝现象为解决上述问题提供了新思路，有望在复杂大气条件下实现信道清除，助力通信激光稳定传输。具体来说，由于克尔自聚焦效应，高峰值功率的飞秒激光脉冲在大气传输过程中会克服自然衍射，并且在聚焦和散焦达到动态平衡时，形成一个高强度的等离子体通道，即“光丝”。光丝内部高温高压等离子体弛豫所诱发的超声波，可将空气中的液滴、灰尘等排空，为大气云雾环境下主动开辟一条长程稳定传输信道提供了技术基础。然而，光丝等离子体诱导空气波导效应涉及不同气体分子、不同尺度液滴等复杂多相多尺度动力学过程，复杂大气条件下光丝诱导空气波导效应的物理机制有待澄清。
针对上述难题与挑战，南开大学和长春理工大学的研究团队研究了在不同激光能量和重复频率下云雾（气溶胶）中光丝诱导信道的时间演化，并建立光丝诱导液滴和气体分子的多尺度多相扩散模型来解释实验结果。探测光束的导引或散焦取决于气体分子和液滴扩散动力学过程的竞争：在无气溶胶的大气中，激光沿光丝路径加热空气引发热透镜效应，会导致光丝诱导信道中的后续探测光束散焦；在有气溶胶存在的情况下，光丝诱导信道可以显著减少由Mie散射引起的光衰减并引导探测光束传输。上述发现可以加深我们对由光丝诱导空气信道背后物理机制的理解，并为优化探测光束传输的时间窗口和效率提供指导，将有助于提高光丝辅助FSOC系统性能。
亮点创新团队采用商用飞秒激光器（脉冲宽度50 fs，中心波长800 nm），可通过半波片和偏振分束镜组合调整单脉冲能量，图1为实验方案示意图。脉冲通过一套包括凹透镜、凸透镜和反射镜的望远镜系统，改变透镜间距离来精确调整焦点位置，确保飞秒脉冲在云室中心成丝。通信/探测光采用特定波长连续激光，通过凹凸透镜组合的扩束系统调节光束数值孔径，并利用二向色镜使其与飞秒脉冲精准合束，保证通信/探测光在光丝构建的大气信道内传输。云室后方放置800 nm滤波片滤除用于成丝的飞秒激光，采用宽带高速响应的光电二极管和示波器监测通信激光信号，记录光丝诱导大气信道对通信/探测光的调制幅度随时间变化。此外，采用CCD相机记录通信/探测光空间分布模式，反映光丝诱导大气信道时空演化信息，澄清其中复杂效应。
图1 飞秒激光成丝辅助自由空间光通信的实验装置。插图：光丝的照片（左）和通信光束的时间演化（右）
无气溶胶条件下光丝诱导大气信道的动力学过程如图2所示。在没有气溶胶的情况下，光丝诱导的大气信道对探测光束的影响表现为μs量级迅速衰减和随后ms量级缓慢恢复。上述衰减效应可以归因于飞秒激光成丝过程中空气瞬态加热产生的热散焦效应。研究人员基于热扩散方程建立光丝的热散焦效应模型，可以定量地解释光丝诱导信道的瞬态时空演化，如图2C, D, E所示。
图2 无气溶胶条件下光丝诱导大气信道动力学。(A) 通信/探测光随时间变化的调制情况。(B) 单脉冲光丝诱导大气信道动力学。插图：有（右）/无（左）光丝条件下通信/探测光空间分布模式。(C) 单脉冲光丝诱导大气信道对通信/探测光信号调制绝对值。(D) 不同时刻空气分子数密度演变理论模拟结果。(E) 空气分子数密度相对差异随时间变化理论模拟结果
有气溶胶条件下光丝诱导大气信道的动力学过程如图3所示。在有气溶胶的条件下，光丝对通信/探测光影响最初依然表现为μs量级迅速衰减，但随后由于光丝对气溶胶液滴的清除作用，通信/探测光信号最初表现为ms量级增强，随后由于排开的气溶胶会重新扩散会大气信道，导致增强幅度随时间缓慢指数下降。研究人员基于液滴密度扩散方程建立气溶胶扩散弛豫的时间演化模型，并将其与上述热散焦效应模型相结合，定量解释了气溶胶环境下光丝诱导信道中通信/探测光的时间演化，如图3D所示。
图3 气溶胶条件下光丝诱导大气信道动力学。(A) 通信/探测光随时间变化的调制情况。(B) 单脉冲光丝诱导大气信道动力学。插图：有（右）/无（左）光丝条件下通信/探测光空间分布模式。(C) 气溶胶液滴数密度随时间变化理论模拟结果。(D)气溶胶条件下光丝诱导信道动力学实验（点）与模拟（实线）结果比较
最后，研究人员探讨了单脉冲能量和重复频率对光丝诱导信道动力学影响。单脉冲能量增大可以显著增强热散焦效应，从而使探测激光透过率衰减下降幅度变大；由于气溶胶扩散回激光传输信道的时间尺度（ms量级）远大于空气分子（μs量级），整体表现为光丝排斥气溶胶所导致的探测激光透过率增加，随着脉冲能量的提高，该效果愈益显著。此外，在固定脉冲能量条件下，高重复频率对应较低的飞秒脉冲时间间隔，飞秒脉冲时间间隔如果远小于气溶胶扩散回激光传输信道的时间尺度（ms量级），光丝持续清除传输信道中的液滴，可以实现准稳态大气信道，助力通信激光高效传输。以上发现均与模型预测一致。
图4 不同脉冲能量和重复频率下由光丝诱导大气信道动力学。(A)-(B) 分别为在500 Hz和900 Hz重复频率下，气溶胶条件下光丝诱导大气信道动力学结果。(C)调制幅度与脉冲能量关系：500 Hz（红色）和900 Hz（蓝色）。(D)-(E) 脉冲能量2.5 mJ时，有(E)/无(D)气溶胶条件下重复频率对光丝诱导信道动力学影响结果。(F) 有/无气溶胶条件下光丝诱导大气信道的调制幅度与重复频率关系
总结展望本文探究了不同激光能量和重复频率下，云雾中光丝诱导大气信道随时间演化结果，并构建了光丝诱导液滴和气体分子的多尺度多相扩散模型，描述光丝诱导信道动力学。由于热散焦效应首先会导致通信/探测光衰减，随后由于光丝诱导大气信道内冲击波排斥液滴而导致信号增强，结合气体分子和气溶胶密度扩散方程可以定量解释实验结果。改变重复频率、单脉冲能量等实验参数，进一步揭示了热散焦效应和气溶胶清除效应之间的竞争关系。上述发现为理解云雾环境下光丝诱导信道的时间尺度和机制提供了理论解释，对光丝辅助自由空间光通信优化具有指导意义。
通讯作者简介
齐鹏飞，副研究员，博士生导师，入选南开大学百名青年学科带头人培养计划。研究方向为超快激光与物质相互作用、二维激子动力学调控。主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、天津市科技创新人才培养专项等项目。以第一/通信作者在Light、eLight、ACS Nano、Ultrafast Science等期刊发表论文30余篇，多次被eLight、Small、Nanoscale等选为封面文章，受到Light专文亮点报道。曾获天津市科技进步一等奖、中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖等荣誉。
刘显著，副研究员，硕士生导师，入选吉林省高层次D类人才。研究方向为高速空间光通信技术。近五年累计主持国家自然科学基金委、国防173计划、科技部重点研发计划等国家级科研项目/课题11项，获吉林省科技进步二等奖1项，以第一作者身份发表论文8篇，授权国家发明专利11项，撰写国防科技出版社著作1部。
