据Optica杂志报道，华科大在自由曲面光束调控领域取得突破性进展。

Optica杂志在线发表了华中科技大学光电信息学院现代应用光学团队马冬林副教授课题组的“Sculpting Optical Fields into Caustic Patterns based on Freeform Optics”研究论文。

操控光场的能量传递是光学研究中的重要课题，在激光微加工、光镊、光学显微成像、照明工程等领域具有广泛的应用。散焦现象是自然界和日常生活中存在的天然的光能传输调控过程，比如阳光照射流动的水面在水底形成了波纹状的图案（图1a），灯光下水杯内形成尖头状光斑（图1b）等等。这些现象展现了生活中常见的光学表面与介质对光产生聚焦效应，形成锐利且稳定的光斑图案。

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

图1.基于散焦现象的光能传输调控

近年来，关于自由曲面光学元件在光学设计领域的研究蓬勃发展，这种元件具有调控精度高和能量效率高的优势，适用于宏观尺寸的光束调控问题。然而，现有的设计机制主要基于偏微分方程求解光线目标位置坐标或自由曲面点云，无法处理散焦出现的情况，且对三维空间中光通量传递的调控问题研究不足。

马冬林团队提出一种自由曲面光学（freeform optics）设计方案，打破传统自由曲面光调控设计的限制，不再要求单一平面上使用完整的光线束实现规定光分布，并突破了入射光线与目标交点间双射映射关系，通过对入射光的光能进行精确地聚焦与调控，实现任意形式的锐利散焦光斑（图1c）。该方法还可以通过将光聚焦于简易的三维曲线，使光场强度峰值沿规定的空间轨迹传播，有望将自由曲面元件应用于更广泛的光调控应用中。

为了验证这种自由曲面元件的性能，研究团队进行了与基于双射映射的设计方法的对比。通过投影至空间光调制器，分别生成了四种不同尺寸的光斑分布。结果表明，基于散焦的设计相较于传统设计能够形成更锐利的图案。

图2.与传统方法设计结果对比

研究团队所还验证了基于散焦设计的其它潜力，如调控朗伯点光源发光和三维空间中的光束整形问题，部分设计结果如图3、4所示。

图3.实现散焦图案的自由曲面照明元件

图4.扩展光分布的景深

华中科技大学光电信息学院博士生魏诗力为论文第一作者，马冬林副教授为论文通讯作者，博士生李忆童为论文共同作者。该工作得到了国家自然科学基金、深圳市自然科学基金的资助。

据长三角G60激光联盟秘书处获悉，马冬林于2010年获得国家留学基金委（CSC）资助，在美国三大光学中心之一的亚利桑那大学光学科学学院攻读光学工程硕士以及理学博士学位。博士期间，致力于照明工程、自由曲面光学设计、相关光学系统开发以及光学测试的研究，取得了丰硕成果，出色完成了多项科研项目，发表或已提交了多篇学术论文以及会议论文，相关工作获得了Laser Focus World等媒体的公开报导，同时先后开发了CGH干涉测量仪、全景内窥镜系统、显微镜、三维测量仪等多种光学系统。获得博士学位后于2016年全职回国工作，目前以副教授的身份任职于华中科技大学光学与电子信息学院。期间担任中国十三五规划重大专项“大型（十二米）光学红外望远镜”科学委员会的技术顾问，一方面承担该项目前期工作中望远镜光学设计方案的评估工作，另一方面也是华中科技大学参与该项目概念设计方案竞标的主要负责人。基于大型光学红外望远镜的设计工作获得了美国著名科技杂志Science的撰文报导，也引起了包括知识分子等国内媒体的高度关注。本人学术研究工作中秉承着华中科技大学的学风要求，认真写好两篇“论文”，一篇写在学术期刊上，目前已发表学术论文近30余篇，申请了多项发明专利；另一篇写在祖国大地上，承担了多项国家级和省部级纵向项目、军口纵向和民口横向项目等，取得了重要的社会影响。

目前主要承担三方面的科研工作：第一，推动重大科学装置“南天光谱巡天望远镜”的立项和建设工作，以及核心关键技术的预研工作，该项目总建设预算预计将达12亿左右；第二，主导承担军口863项目激光专项系列子课题的研究工作，主要包括膜系稳定性、新型激光照明系统、钠导星激光发射装置等等；第三，主导承担“天琴计划”中的核心装置天琴望远镜的研制工作。