【核心突破】

• 80米无衍射传输：组合轴锥镜设计，贝塞尔光束在空气中实现约80米超长无衍射传播；
• 真实海水信号翻倍：相比传统高斯光束，浑浊海水中信号强度提升2.3倍；
• 纳秒级精准门控：中智科仪TRC411 IsCMOS相机，100 ps时间分辨率精准捕捉弹道光子。

 

一、浑浊海水中的"视觉困境"

当光穿透海水时，会发生什么？

想象一下，你拿着手电筒在浓雾中前行——光线被无数水滴散射，眼前只剩白茫茫一片。浑浊海水中的情况更加严峻：悬浮颗粒、浮游生物、泥沙...这些微小粒子让光子在传播中"迷失方向"。

图1：贝塞尔光束vs高斯光束在浑浊水中的传播对比

 

传统水下成像的痛点

• 高斯光束传播几十米后，能量呈指数衰减。
• 散射噪声淹没目标信号，图像对比度急剧下降。
• 成像距离受限，深海探测成为"盲探"。

对于海洋科考、海底考古、水下工程巡检而言，如何在浑浊海水中"看得清、看得远"，一直是困扰科研人员的难题。

 

二、贝塞尔光束：来自数学的"自愈"奇迹

贝塞尔光束（Bessel Beam）因其独特的物理特性，正在成为散射介质成像的"游戏规则改变者"。

两大核心优势

1. 无衍射特性

与传统高斯光束不同，贝塞尔光束由沿锥形角谱传播的平面波叠加而成，在传播方向上几乎不发生相位失配。这意味着——它能在长距离内保持光斑尺寸和能量密度的高度稳定。

 

2. 自重建特性

即使波前被散射介质部分阻挡或相位扰动，贝塞尔光束在传播一定距离后仍能恢复其原始强度分布。这一"自愈"能力使其在浑浊水体中展现出卓越的鲁棒性。

 

 

三、技术突破：从实验室到真实海洋

中山大学物理与天文学院研究团队与中科院上海光机所、自然资源部海洋二所等团队合作创新性地采用组合轴锥镜（Combined Axicon）设计，解决了传统贝塞尔光束生成方案在空间和效率上的局限。

 

组合轴锥镜核心设计

组件	材料/参数
平面凸轴锥镜	BK7玻璃，直径25.4 mm，底角1°
窗口片	BK7玻璃，直径25.4 mm
匹配液	熔融石英折射率匹配液（Cargille 06350）
垫片	特氟龙，外径25.4 mm，内径22.8 mm

 

通过合理设计光学参数（n₁=n₃=1.5195，n₂=1.4614），组合轴锥镜实现了极小的波前半锥角θ，将无衍射传播距离延长至87.5米（空气中）。

 

实验验证结果

传播距离	中心光斑直径	特征
10 m	2.576 mm	典型贝塞尔光束形态
31 m	3.701 mm	与理论值高度吻合
52 m	3.528 mm	保持无衍射特性
101 m	4.113 mm	准贝塞尔特性

 

实测数据显示，贝塞尔光束在约80米范围内成功维持无衍射传播特性，远超传统光束的衍射极限。

 

四、中智科仪IsCMOS相机：精准捕捉"时间窗口"

要实现高质量水下成像，仅有好的照明光源还不够——

如何精准分离弹道光子与散射光子，是关键中的关键。

这就是中智科仪TRC411 IsCMOS门控相机发挥作用的时刻。

图2：距离门控成像原理示意图

 

距离门控成像原理

当纳秒脉冲激光照射目标场景时，相机电子快门仅在严格同步的时间窗口内开启。这一设计有效抑制了非目标区域产生的后向散射噪声，选择性采集来自预定距离阈值内目标的反射光子信号。

TRC411 IsCMOS核心参数

参数	规格
门控宽度	3 ns
时间分辨率	100 ps
波长响应	优化532 nm
成像镜头	Zeiss Milvus 2/100M（100 mm定焦）

 

为什么100 ps时间分辨率如此重要？

光在真空中传播速度约为30 cm/ns。100 ps的时间分辨率意味着——系统可以分辨3厘米级别的距离差异。

这种皮秒级的时间精度，让研究人员能够：

 

• 精确控制光子到达时间的采集窗口
• 有效滤除提前或延后到达的散射光子
• 在浑浊海水中"锁定"目标反射信号

 

五、实验验证：数据说话

室内模拟环境（TiO₂悬浮液，衰减系数1.619 m⁻¹）

在3米成像距离下，对比贝塞尔光束与高斯光束的成像效果：

 

指标	提升倍数
信号强度	1.677×
RMS对比度	1.5725×
熵	1.0521×

 

关键发现：尽管贝塞尔光束经过组合轴锥镜后输出功率低于高斯光束，但成像亮度反而更优——这正是贝塞尔光束能量集中优势的体现。

 

图4：信号强度提升对比——室内模拟水vs真实海水

 

真实海水环境（三亚近海平台，衰减系数2.757 m⁻¹）

在更复杂的海洋环境中，贝塞尔光束展现出更强的抗散射能力：信号强度提升：2.328×

这一结果显著高于室内模拟环境（1.677×），表明贝塞尔光束在复杂海洋环境中展现出更强的抗散射和自重建能力。

 

六、应用前景：开启水下光学探测新纪元

这项研究成果为水下主动光学探测系统提供了实用且可扩展的技术解决方案：

• 海底地形测绘——高精度、长距离成像，助力海洋科考
• 水下考古探测——穿透浑浊水域，发现沉睡海底的历史遗迹
• 海洋生态监测——长期、稳定的水下观测，保护海洋生态环境
• 水下设施巡检——AUV/ROV搭载，实现海底管道、电缆的智能检测
• 长距离水下光通信——为水下无线光通信（UWOC）提供更稳定的传输方案

 

七、结语

中山大学物理与天文学院的这项研究，通过创新的组合轴锥镜设计，成功实现了80米量级的长距离贝塞尔光束无衍射传播。

中智科仪TRC411 IsCMOS门控相机在本研究中发挥了关键作用——其100 ps时间分辨率和3 ns门控宽度，让研究人员能够在浑浊海水中精准捕捉弹道光子，实现了信号强度2.3倍提升和成像对比度1.6倍增强。

 

这一研究成果为水下主动光学探测系统提供了实用且可扩展的技术解决方案。其紧凑设计和高功率激光兼容性，使其易于集成到ROV、AUV等移动平台，为海洋科学研究和海洋工程应用开辟了新的可能性。

 

论文信息

标题：Propagation of long-distance Bessel beams and its application to optical imaging in turbid seawater

作者：Qihang Bian, Zhixian Ang, Jianying Zhou, Yikun Liu（通讯作者）

单位：中山大学物理与天文学院（珠海）、中山大学物理学院（广州）

期刊：Applied Optics, Vol. 64, No. 31, 1 November 2025

DOI：https://doi.org/10.1364/AO.574220

 

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