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超强激光科学卓越创新简报

(第八百一十五期)

2026年8月25日

上海光机所对光场在时空非马尔可夫随机介质中的传输研究取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部研究员课题组，团队在光通过非Markovian随机介质传播的理论建模方面取得突破。研究团队创新性地引入随机偏微分方程框架，将光在时空随机介质中的传播动力学映射到双曲型Anderson模型，实现了对介质非Markovian记忆效应的定量刻画。相关成果以“Light propagation through space-time non-Markovian random media”为题发表于Optica。

在大气湍流、海洋等复杂时空随机介质中准确建模光传播，是自由空间光通信、遥感及相干成像等领域的核心基础问题。传统理论框架普遍依赖Markovian近似，即假设折射率涨落在传播方向上呈δ函数相关，忽略了介质沿传播路径的累积效应与长程时间关联。尽管Rytov近似、高阶矩方程及随机多相位屏等经典方法在特定条件下行之有效，但当介质非均匀尺度与路径长度可比、或时间记忆效应不可忽略时，这些方法均面临局限。

为突破上述瓶颈，研究团队通过算子分离技术推导出由时间关联噪声驱动的随机偏微分方程。通过将折射率场的涨落表征为具有显式长程时间关联的随机场，研究证明光传播动力学可精确映射到随机偏微分方程理论中的双曲型Anderson模型。在此基础上，团队进一步将分数Brownian运动与空间多分形标度相结合，统一刻画了随机介质的时空关联结构——其中Hurst指数H从根本上限定了时间记忆的强弱：H>1/2对应正自相关，H<1/2对应负自相关，H=1/2则退化为无记忆的Markovian极限。这一映射使得从介质非Markovian随机描述符到光场统计特性的定量解析推导成为可能。

图1 户外验证实验光路与装置示意图

为验证理论预测，研究团队设计了同步集成的户外实验平台：一方面利用高灵敏度微气象传感器阵列原位刻画大气折射率涨落的时空结构；另一方面采用大孔径外差相干探测系统，以窄线宽激光和高保真信号处理管道，捕获近地面大气信道传播后光场的振幅与相位分布。实验数据与随机偏微分方程理论预测在多重维度上一致，Hurst指数的变化在环境涨落与光场相位之间表现出正相关，证实了介质时间记忆向光场的传递；而随着接收孔径扩大，空间平均效应有效抑制了局域记忆驱动涨落，且归一化过程与标准复高斯分布之间的对称Kullback-Leibler散度遵循理论衰减上界。

该研究为理解大气、海洋等真实环境中Markovian近似失效条件下的光传播行为奠定了物理基础。所建立的非Markovian随机偏微分方程框架不仅为优化自由空间光通信链路、抗湍流相干成像及动态介质遥感提供了重要的理论支撑，其带色噪声的广义框架还可拓展至随机介质中的量子光学系统，为评估非经典光场的非Markovian动力学及信息回流、纠缠保持等记忆效应提供了理论工具。

研究得到了国家重点研发计划的支持。

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