部分相干光在光学成像领域具有重要的理论价值和广泛的应用前景。它不仅能够改善照明的均匀性、提高成像分辨率，还能有效抑制散斑噪声，在超分辨成像、全息成像等前沿光学技术中发挥着不可替代的作用。然而，在一些如光刻系统、复杂环境下的激光实时探测等应用场景中，如何高效地生成和计算部分相干光束仍然是一个关键挑战，快速且准确的部分相干光场合成方法至关重要。
近日，苏州大学赵承良教授研究小组联合上海理工大学 詹其文教授、荷兰代尔夫特理工大学Paul教授、山东师范大学蔡阳健教授等人提出一种新颖的模式叠加方法用于部分相干光的合成，称为“少模叠加法”，用于高效合成部分相干光场，并验证其在精度和效率方面的优越性。研究成果以苏州大学物理科学与技术学院为第一单位，我院博士生王卓异为论文第一作者，以“Few-Mode Superposition for High-Efficiency Generation of Tailored Partially Coherent Light”为题发表在《ACS Photonics》（影响因子 IF=6.7）。
随着激光器技术的发展，高相干光源在光学成像、通信等领域取得广泛应用。然而，在复杂介质传输或随机波动的光场中，光束的相干性往往受到退相干效应的影响，导致其降低并呈现更复杂的统计特性。近年来，部分相干光束被发现具有多种优势：在计算光学中可提升计算并行性，在成像中有助于抑制散斑噪声，在湍流中具备更强的鲁棒性。为实现高精度模拟与控制，深入研究其传输特性与计算方法具有重要意义。部分相干光束的统计特性不同于完全相干光束，若在高精度应用中忽略其效应，直接采用完全相干模型，易引入误差，影响实验准确性。因此，研究其传输特性与高效计算方法，已成为现代光学的重要方向。
图1 不同方法在计算耗时上的对比(a) 部分相干光场的双缝干涉；(b)光刻成像模拟
通过将部分相干光场分解为少模叠加，在部分相干光场的生成、传输模拟与光刻成像预测中展现出显著优势。其高效性、灵活性与普适性为现代光学系统的设计与优化提供了新的可能。该方法的核心在于高效选择基模，在保证模拟精度的同时显著降低计算复杂度。例如，在高斯谢尔模型光场的生成中，少模叠加仅需少量模式即可实现精确建模，相较传统方法所需的数百甚至上千个模式，计算效率大幅提升，适用于实时仿真与快速优化。此外，该方法还能灵活构造具有特殊关联结构的部分相干光束，并应用于非相干光源条件下的光刻成像预测。无论是传统的高斯型相干结构，还是复杂的特殊关联函数，少模叠加均可准确还原其传输行为，为极紫外光刻与多重曝光等高端制造技术中的成像系统设计提供强有力支持。
研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省高校优势学科建设工程以及江苏省研究生科研实践创新项目等项目的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.4c02613
