據Optica雜志報道，華科大在自由曲面光束調控領域取得突破性進展。

Optica雜志在線發表了華中科技大學光電信息學院現代應用光學團隊馬冬林副教授課題組的“Sculpting Optical Fields into Caustic Patterns based on Freeform Optics”研究論文。

操控光場的能量傳遞是光學研究中的重要課題，在激光微加工、光鑷、光學顯微成像、照明工程等領域具有廣泛的應用。散焦現象是自然界和日常生活中存在的天然的光能傳輸調控過程，比如陽光照射流動的水面在水底形成了波紋狀的圖案（圖1a），燈光下水杯內形成尖頭狀光斑（圖1b）等等。這些現象展現了生活中常見的光學表面與介質對光產生聚焦效應，形成銳利且穩定的光斑圖案。

圖 (a) Bijective-mapping-based freeform optics design. (b) Design of caustic patterns enabling new functions of freeform optical elements (FOEs).

圖1.基于散焦現象的光能傳輸調控

近年來，關于自由曲面光學元件在光學設計領域的研究蓬勃發展，這種元件具有調控精度高和能量效率高的優勢，適用于宏觀尺寸的光束調控問題。然而，現有的設計機制主要基于偏微分方程求解光線目標位置坐標或自由曲面點云，無法處理散焦出現的情況，且對三維空間中光通量傳遞的調控問題研究不足。

馬冬林團隊提出一種自由曲面光學（freeform optics）設計方案，打破傳統自由曲面光調控設計的限制，不再要求單一平面上使用完整的光線束實現規定光分布，并突破了入射光線與目標交點間雙射映射關系，通過對入射光的光能進行精確地聚焦與調控，實現任意形式的銳利散焦光斑（圖1c）。該方法還可以通過將光聚焦于簡易的三維曲線，使光場強度峰值沿規定的空間軌跡傳播，有望將自由曲面元件應用于更廣泛的光調控應用中。

為了驗證這種自由曲面元件的性能，研究團隊進行了與基于雙射映射的設計方法的對比。通過投影至空間光調制器，分別生成了四種不同尺寸的光斑分布。結果表明，基于散焦的設計相較于傳統設計能夠形成更銳利的圖案。

圖2.與傳統方法設計結果對比

研究團隊所還驗證了基于散焦設計的其它潛力，如調控朗伯點光源發光和三維空間中的光束整形問題，部分設計結果如圖3、4所示。

圖3.實現散焦圖案的自由曲面照明元件

圖4.擴展光分布的景深

華中科技大學光電信息學院博士生魏詩力為論文第一作者，馬冬林副教授為論文通訊作者，博士生李憶童為論文共同作者。該工作得到了國家自然科學基金、深圳市自然科學基金的資助。

據長三角G60激光聯盟秘書處獲悉，馬冬林于2010年獲得國家留學基金委（CSC）資助，在美國三大光學中心之一的亞利桑那大學光學科學學院攻讀光學工程碩士以及理學博士學位。博士期間，致力于照明工程、自由曲面光學設計、相關光學系統開發以及光學測試的研究，取得了豐碩成果，出色完成了多項科研項目，發表或已提交了多篇學術論文以及會議論文，相關工作獲得了Laser Focus World等媒體的公開報導，同時先后開發了CGH干涉測量儀、全景內窺鏡系統、顯微鏡、三維測量儀等多種光學系統。獲得博士學位后于2016年全職回國工作，目前以副教授的身份任職于華中科技大學光學與電子信息學院。期間擔任中國十三五規劃重大專項“大型（十二米）光學紅外望遠鏡”科學委員會的技術顧問，一方面承擔該項目前期工作中望遠鏡光學設計方案的評估工作，另一方面也是華中科技大學參與該項目概念設計方案競標的主要負責人。基于大型光學紅外望遠鏡的設計工作獲得了美國著名科技雜志Science的撰文報導，也引起了包括知識分子等國內媒體的高度關注。本人學術研究工作中秉承著華中科技大學的學風要求，認真寫好兩篇“論文”，一篇寫在學術期刊上，目前已發表學術論文近30余篇，申請了多項發明專利；另一篇寫在祖國大地上，承擔了多項國家級和省部級縱向項目、軍口縱向和民口橫向項目等，取得了重要的社會影響。

目前主要承擔三方面的科研工作：第一，推動重大科學裝置“南天光譜巡天望遠鏡”的立項和建設工作，以及核心關鍵技術的預研工作，該項目總建設預算預計將達12億左右；第二，主導承擔軍口863項目激光專項系列子課題的研究工作，主要包括膜系穩定性、新型激光照明系統、鈉導星激光發射裝置等等；第三，主導承擔“天琴計劃”中的核心裝置天琴望遠鏡的研制工作。