复杂环境中的结构光：传播、感知与信息
从结构光的基本物理出发，研究其在真实环境中的传播规律、信息演化与感知机制。
研究概况
结构光通过对光场的振幅、相位、偏振、空间模式以及时间—频率特性进行有序调控，为高维信息传输、测量、成像和环境感知提供了丰富的物理维度。当结构光进入实际传播环境，大气湍流、水下湍流、散射介质及光学系统像差会引起波前畸变、光强起伏、模式耦合、退偏振和相干性退化。光场的空间结构、轨道角动量和拓扑特征如何演化，哪些信息能够保持或恢复，哪些畸变又可用于反演环境，是课题组关注的核心问题。
围绕这些问题，课题组开展结构光传播、光信息传输、光学计量、环境感知、多维成像及物理驱动的智能光学研究。工作涵盖理论分析、数值建模、光学实验、数据处理和系统验证，强调从实际环境中提炼科学问题，并以可重复的实验和可检验的模型建立物理认识。
程明建课题组依托郭立新教授（教育部“长江学者”特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者）领衔的目标与环境光电信息感知团队开展研究，程明建博士为团队骨干成员。该团队获批科技部重点领域创新团队、陕西省重点科技创新团队，并入选陕西省“三秦学者”创新团队。
课题组坚持“学术兴趣牵引、物理机制导向、应用场景驱动”。在评价结构光的环境适应性时，不作笼统的“抗扰动”判断，而是结合传播距离、扰动尺度、光场尺度、接收孔径和测量基底，分析信息的可区分性、可恢复性与可利用性。复杂环境造成的畸变既是需要校正的误差，也可以成为表征环境与信道状态的观测量。
主要研究方向
1. 复杂环境中的结构光传播与拓扑演化
研究结构光在大气湍流、水下湍流、散射介质和像差系统中的传播，建立相应的理论模型、数值方法和实验表征手段。重点考察介质扰动与光场空间频谱、模式结构、偏振态、相干性及拓扑性质之间的联系，研究模式串扰、涡旋分裂和拓扑转变等现象，并寻找复杂信道中可保持或可恢复的光场特征。
2. 高维结构光调控与光信息传输
研究轨道角动量光场、矢量光场、拓扑光场及多自由度耦合光场的产生、调控与测量，考察空间、偏振、时间和频率等自由度在信息编码中的作用。面向自由空间和水下光通信，研究模式耦合、信道衰落与信息退化，发展模式分集、信道估计、智能解调和自适应补偿方法。研究重点不是名义模式数量，而是接收端能够可靠区分并有效利用的信息维度。
3. 结构光计量、环境感知与多维成像
研究光学涡旋、矢量光场和拓扑光场在位移、旋转、折射率及流场测量中的应用，分析多自由度光场提高测量灵敏度和参数可辨识性的机制。利用光强、相位、散斑、偏振和轨道角动量谱等观测量，开展湍流与散射环境的状态识别和参数反演；面向高温、烟雾、低照度和低对比度场景，研究目标、介质和成像系统共同作用下的信息退化及多维视觉感知方法。
4. 物理驱动的智能光学与视觉感知
将结构光传播模型与机器学习相结合，研究光场识别、波前估计、模式解复用、信道分类和环境参数反演。重点关注观测量中保留的物理信息，以及模型的可解释性、数据效率和跨场景泛化能力。相关研究还延伸至复杂工业环境中的视觉增强、目标检测、端侧推理和嵌入式部署，部分成果已开展应用验证。
国际合作
课题组与南非金山大学（University of the Witwatersrand）Andrew Forbes教授团队保持长期科研合作。Andrew Forbes教授为南非金山大学物理学院杰出教授、结构光实验室负责人，长期从事结构光、轨道角动量、高维光学和量子光学研究。双方围绕复杂介质中的结构光传播、光学计量、轨道角动量谱、光学拓扑和环境感知开展合作，已共同发表多项研究成果。学生可参与合作课题、学术研讨和论文写作；研究方向契合且表现优秀者，可根据项目进展和双方安排，推荐赴南非金山大学开展短期访问或联合研究。课题组同时支持学生参加国内外高水平学术会议，提升学术交流与合作能力。
代表性研究进展
在国家自然科学基金等相关项目支持下，课题组在复杂环境结构光传播、光学涡旋计量、湍流感知和光学拓扑等方向取得系列进展。相关研究论文与前沿评述发表于 Light: Science & Applications (1区Top)、eLight (1区Top)、Photonics Research (1区Top)、Communications Physics (1区Top)、Physical Review A (2区)和 Optics Express (2区)等期刊。
（分数阶光学斯格明子） Y. Cao, R. N. Kumar, H. Bezuidenhout, M. Cheng, L. Guo, and A. Forbes, “Fractional skyrmions by fractional orbital angular momentum,” Physical Review A 113, 063537 (2026). 利用分数阶轨道角动量的矢量叠加构造非整数拓扑数的光学斯格明子，揭示斯格明子数随分数阶轨道角动量的非线性演化和向邻近整数拓扑数的突变，并通过实验与数值模拟相互验证。
（空间分辨轨道角动量谱） W. Jiang, M. Cheng, L. Guo, and A. Forbes, “Spatially-resolved atmospheric turbulence sensing with two-dimensional orbital angular momentum spectroscopy,” Communications Physics 9, 159 (2026). 发展二维轨道角动量光谱测量方法，将整体模式谱分析拓展为空间分辨表征，为非均匀湍流和复杂信道的定量感知提供新的测量维度。
（多观测量湍流表征） W. Jiang, M. Cheng, L. Guo, X. Yi, J. Li, J. Wang, and A. Forbes, “Machine learning assisted speckle and OAM spectrum analysis for enhanced turbulence characterization,” Photonics Research 13, B29–B37 (2025). 融合散斑强度与轨道角动量谱信息，利用机器学习提高湍流状态的识别与表征能力，说明不同光学观测量可为复杂环境反演提供互补信息。
（光学涡旋计量） M. Cheng, W. Jiang, L. Guo, J. Li, and A. Forbes, “Metrology with a twist: probing and sensing with vortex light,” Light: Science & Applications 14, 4 (2025). 系统梳理涡旋光用于测量与传感的物理基础，讨论轨道角动量、旋转多普勒效应和空间模式在运动、旋转、手性相互作用及成像计量中的作用，为涡旋光计量建立较为完整的研究框架。
可参与的科学问题？
严重畸变的结构光场中，还保留着哪些可测量、可恢复的模式与拓扑信息？
如何联合散斑、偏振和轨道角动量谱，反演空间非均匀的湍流或散射环境？
如何协同设计发射光场、传播信道、接收测量与信息处理，提高复杂信道中的可用信息维度？
这些问题需要理论推导、数值模拟、光学实验和数据分析相互验证，既涉及结构光与复杂介质的基础物理，也面向通信、遥感、测量和视觉感知等应用。
人才培养
课题组注重物理直觉、数学基础、计算能力、实验素养和工程意识的协同训练。培养过程以具体科学问题为牵引，覆盖理论建模、数值模拟、光学实验、数据分析、算法实现和系统验证。学生可使用Python、MATLAB、LabVIEW等工具开展建模与算法研究，并参与结构光产生、传输、调控和检测实验。
我们希望学生逐步形成三项基本能力，发现有价值的问题，获得真实可信的结果，清楚说明结果的物理意义。课题组重视学术诚信、独立思考、长期积累、结果复现、团队合作和专业表达。
本人主讲《数值计算方法》、《计算物理》、《结构光场理论》等课程，注重将课程教学与前沿研究结合。近年来，指导的研究生多次获得国家奖学金，本科生科创项目多次以国家级“优秀”结题。
招生信息
课题组每年计划招收硕士研究生1—2名、博士研究生1—2名，欢迎物理、光电、电子信息、计算机、自动化及相关专业的同学申请。
我们期待申请者对结构光、复杂介质传播、光通信、环境感知、光学测量、多维成像或人工智能交叉研究具有持续兴趣，具备较好的数学、物理或专业基础，并愿意加强理论、实验或计算训练。申请者不需要在入组前掌握所有相关知识，已有论文也不是必要条件。相比短期成果，我们更看重真实的学术兴趣、主动学习能力、科研诚信和持续投入。
有意申请硕士或博士研究生的同学，请将个人简历、成绩单和代表性成果发送至本人办公邮箱，并在邮件中简要介绍个人背景、感兴趣的科学问题、已有准备和研究设想。
期待与对光充满好奇的同学一起，理解结构光在复杂环境中的基本规律，探索其在通信、遥感、测量和视觉感知中的应用。