高阶涡旋线-边缘混合位错束在生物组织中传播时的奇异性

《Optics and Lasers in Engineering》：The singularity of higher-order vortex line-edge mixed dislocations beam propagating through biological tissue

线边混合位错束在生物组织中的传播奇点受位错斜率p、偏轴距离d和拓扑电荷m影响，数值模拟显示强度分布呈三峰结构，p和d主导线边位错凹陷的演化速率和位置，m调控螺位错凹陷的面积及演化。相位演化速率和光场相位信息丰富度与参数相关，p符号反转导致拓扑电荷反转，d和p显著影响人类表皮生物组织中的线边位错重构能力。

　　这项研究聚焦于一种特殊类型的光束——部分相干的高阶涡旋线边混合位错光束在生物组织中的传播特性。通过数值计算和分析，探讨了线边位错的斜率、偏移距离以及拓扑电荷对光束传播奇异现象的影响，包括归一化强度分布和相位演化。研究结果表明，源平面上的归一化强度呈现出三峰分布的特征，而斜率和偏移距离主要影响线边位错凹陷的位置和演化速度，拓扑电荷则主要调节螺位错凹陷的面积和演化速度。在传播过程中，这些参数对相位演化速度和光场相位信息的丰富程度具有重要影响。此外，斜率符号的反转会引发拓扑电荷的反转，同时斜率和偏移距离对线边位错在人体表皮层中的重构能力也有显著影响。

在自然界和实验环境中，部分相干光束比完全相干光束更为常见。这是因为环境干扰和技术限制使得完全相干光束难以获得。然而，部分相干光束在湍流介质中具有更强的衰减抵抗能力，使其在传播过程中能够保持结构的完整性，从而具有更高的实用价值。值得注意的是，部分相干光束在空间传播过程中也可能包含相位奇异性，这种现象被称为相干奇异性或相关奇异性。其中，高斯-舍尔模型（GSM）光束及其扩展形式是最典型的部分相干光束，已经被系统研究。

在各向异性非科尔莫戈罗夫湍流中，部分相干椭圆涡旋光的相干特性演化研究表明，部分相干椭圆涡旋光在更长的传输距离中能够更好地保持相干涡旋的守恒性，相较于圆形涡旋光具有优势。关于边缘位错在大气湍流中的转变研究指出，边缘位错可能会消失并转化为非规则的相干涡旋，同时可能伴随拓扑电荷的反转。对于自由空间和大气湍流中高阶相干涡旋的动态演化进行的比较分析表明，一个具有拓扑电荷的相干涡旋会在传播过程中分裂为多个具有+1拓扑电荷的相干涡旋，类似结论也适用于椭圆光学涡旋。

这些研究为部分相干光束在光学通信中的应用提供了重要的理论支持。由于特殊的相位结构，光学涡旋束已被广泛应用于激光通信、光学量子计算、光学数据存储、光学镊子、相位对比显微镜以及光学成像技术等多个领域。混合位错光束结合了螺位错和边缘位错的波前结构，有望实现更精确的光学操控和更丰富的信息容量。近年来，混合位错光束在不同介质中的传播行为已经被广泛研究。例如，Indebetouw通过将光学涡旋嵌入高斯光束中研究了自由空间中光学涡旋的动力学行为，指出具有相同拓扑电荷的涡旋对表现出显著的稳定性，而具有相反拓扑电荷的涡旋则会相互吸引并最终湮灭。Kotlyar研究了具有边缘位错的高斯光束通过圆柱透镜时的行为，发现当传播距离为透镜焦距的两倍时，第n阶边缘位错的斜率会引发一个由n个椭圆光学涡旋组成的阵列。Petrov则将线边位错和光学涡旋同时嵌入高斯光束中，通过理论模拟和实验验证探讨了线边位错在自由空间中的动态演化。Chen研究了部分相干涡旋和边缘位错混合光束在海洋湍流中的传播特性，指出单个涡旋可能在传播过程中单独生成和消失，而涡旋对也可能在传播过程中生成和湮灭。2025年，Shan研究了部分相干混合螺线边位错光束在生物组织中的传播奇异性，发现光场在传播过程中表现出重构现象。这种现象是部分相干混合位错光束在生物组织中传播的独特特征，将在生物医学成像和光学操控等应用中具有明显优势，同时表明部分相干混合位错光束在生物医学领域具有更大的应用潜力。

目前，对于部分相干混合位错光束在生物组织中的传播行为的基本研究仍然不足，这将限制奇异性光束在多个领域的开发和应用。为此，本研究提出了一种新的方法，将高阶涡旋和线边位错同时嵌入椭圆高斯光束中，并引入舍尔项，从而构建出一种部分相干的高阶涡旋线边混合位错光束。基于这一模型，推导出该光束在生物组织中的交叉谱密度函数，并通过数值模拟研究其在人体表皮层中的传播奇异性，包括归一化强度分布和相位演化。进一步分析了不同拓扑电荷、偏移距离和线边位错斜率对光束传播奇异性的影响规律。

在理论模型方面，本研究参考了相关研究关于新型光束构建的成果，提出了一种将高阶涡旋和线边位错同时嵌入高斯光束的方法。这种光束的场分布可以在源平面上表示为某种特定形式，其中包含线边位错的斜率、偏移距离以及拓扑电荷等参数。通过这一模型，可以更全面地描述光束在生物组织中的传播特性，并为后续的数值模拟提供理论依据。

在数值计算和分析部分，研究者对部分相干高阶涡旋线边混合位错光束在生物组织中的归一化强度分布和相位演化进行了详细计算。通过调整光束的参数，如线边位错的斜率、偏移距离和拓扑电荷，研究者探讨了这些参数如何影响光束在传播过程中的奇异现象。实验样本选择了人体表皮层，以更贴近实际应用场景。通过数值模拟，研究者能够观察到光束在不同参数设置下的传播行为，并分析其在生物组织中的表现。

研究结果表明，不同参数对光束的传播奇异性具有显著影响。线边位错的斜率不仅影响其凹陷的位置和演化速度，还对光束的重构能力产生影响。偏移距离则主要调节光束在传播过程中的相位演化速度和强度分布。拓扑电荷对螺位错凹陷的面积和演化速度具有调节作用，同时其变化也会对光束的重构能力产生影响。通过分析这些参数的影响，研究者能够更深入地理解部分相干混合位错光束在生物组织中的传播特性，并为相关应用提供理论支持。

此外，研究还指出，线边位错斜率的符号反转会导致拓扑电荷的反转，这种现象在光束传播过程中具有重要意义。同时，线边位错和偏移距离对光束的重构能力具有显著影响，表明在生物组织中，这些参数不仅影响光束的结构稳定性，还对光场的相位信息丰富程度产生影响。这些发现为部分相干混合位错光束在生物医学成像和光学操控等领域的应用提供了新的思路。

本研究通过理论模型的构建和数值模拟的分析，系统地探讨了部分相干高阶涡旋线边混合位错光束在生物组织中的传播特性。研究结果不仅揭示了不同参数对光束传播奇异性的影响规律，还为相关技术的发展提供了理论依据。在生物组织中，光束的传播特性受到多种因素的影响，包括组织的结构、成分以及环境因素。因此，研究者在构建模型时需要充分考虑这些因素，以确保模拟结果的准确性。

本研究还强调了部分相干混合位错光束在生物医学领域中的应用潜力。由于其独特的相位结构和传播特性，这种光束在生物组织成像、光学操控、医学诊断等方面具有广泛的应用前景。例如，在生物医学成像中，部分相干混合位错光束可以提供更高的分辨率和更丰富的信息内容，有助于提高成像质量。在光学操控中，这种光束可以实现更精确的粒子操控，为生物样本的操控提供新的方法。

研究结果表明，部分相干混合位错光束在生物组织中的传播过程具有独特的现象，例如光场的重构和相位信息的丰富性。这些现象不仅对理解光束的传播特性具有重要意义，还为相关技术的应用提供了新的思路。因此，本研究的成果对于推动部分相干混合位错光束在生物医学领域的应用具有重要价值。

在实验和理论分析的基础上，研究者还探讨了部分相干混合位错光束在生物组织中的传播行为对实际应用的影响。例如，在生物医学成像中，光束的传播特性可以影响成像的清晰度和分辨率，从而影响诊断的准确性。在光学操控中，光束的传播特性可以影响粒子的操控精度和稳定性，从而影响实验结果。因此，研究者需要深入理解这些参数的影响，以优化光束的设计和应用。

本研究通过系统的理论分析和数值模拟，揭示了部分相干混合位错光束在生物组织中的传播特性，包括其归一化强度分布和相位演化。研究结果表明，不同参数对光束的传播奇异性具有显著影响，其中线边位错的斜率和偏移距离对光束的重构能力具有重要作用，而拓扑电荷则对光束的相位演化速度和面积具有调节作用。这些发现不仅丰富了光束传播理论，还为相关技术的发展提供了新的方向。

此外，研究还指出，部分相干混合位错光束在生物组织中的传播特性具有独特性，这种独特性可能在生物医学成像和光学操控等应用中发挥重要作用。因此，研究者需要进一步探索这些参数的影响，以提高光束在实际应用中的性能。通过本研究，为部分相干混合位错光束在生物医学领域的应用提供了理论支持，同时也为相关研究提供了新的参考。

综上所述，本研究通过构建部分相干高阶涡旋线边混合位错光束的理论模型，并进行数值模拟，深入探讨了其在生物组织中的传播特性。研究结果表明，不同参数对光束的传播奇异性具有显著影响，其中线边位错的斜率和偏移距离对光束的重构能力具有重要作用，而拓扑电荷则对光束的相位演化速度和面积具有调节作用。这些发现不仅有助于理解光束在生物组织中的传播行为，还为相关技术的发展提供了新的思路。同时，研究还指出，部分相干混合位错光束在生物医学成像和光学操控等应用中具有独特优势，为未来的研究和应用提供了重要参考。