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导语光束的传播与聚焦，能否通过源场设计获得更丰富的调控方式？从Airy光束发展而来的Airyprime光束，将Airy函数的导数结构引入光场构造，为研究相干能量重分布、突变自聚焦及光学微操控提供了新的思路。
近日，浙江农林大学周国泉、刘子源与苏州大学王飞团队在期刊Light Manipulation and Applications发表综述论文“Airyprime Beams: From Concept to Applications”。文章围绕源场构造、传播物理、光场工程、复杂环境响应及功能应用，系统梳理了Airyprime光束的研究进展，并建立性能比较与证据成熟度框架，为理解不同研究之间的联系、评估应用潜力及确定未来研究方向提供参考。
研究背景结构光通过设计光场的振幅、相位、偏振及时间结构，拓展了光传播、光与物质相互作用的调控空间。其中，Airy光束因其自加速、自修复等特性受到广泛关注，圆Airy光束则展示了沿传播方向形成突变自聚焦的独特能力。
Airyprime光束进一步将Airy函数的导数作为源场构造的基本要素。导数结构会改变光场的零点、波瓣分布及相对相位，使传播过程中的能量重分布呈现不同特征。围绕这一构造，研究者发展了圆形、涡旋、相干阵列及多种混合光场，并探索其在粒子操控、参数检测等方向的应用。
随着研究不断拓展，不同光束的命名、构造方式、性能指标及实验验证程度也日益多样。如何厘清这些研究的物理联系？如何区分源场自身的性质与外加调控带来的效果？又该如何判断一种光场距离实际应用还有多远？这篇综述围绕上述问题，建立了从基本概念到功能验证的系统认识。
图1 Airyprime光束的研究全景：源场构造、传播调控与功能应用
文章亮点01两条构造主线：厘清Airyprime光场的联系与差异文章以两类有限能量构造为主线，区分笛卡尔与圆形Airyprime光束。
笛卡尔分支通过对特定相干叠加的优雅厄米–高斯输入进行Airy变换，生成可分离的Airyprime光场；圆形分支则直接在径向坐标中引入Airy导数，构建广义圆形Airy导数光束家族，其中零阶对应圆形Airy光束，一阶对应圆形Airyprime光束。
两条分支共享Airy导数这一数学基础，但在坐标几何、源场定义及传播描述上并不等价。综述进一步梳理高阶导数、连续角向叠加、有限相干阵列和前向Airy变换之间的关系，明确不同构造成立的条件，避免将形貌相似的光场简单视为同一种物理对象。
图2 Airyprime光场的构造与数学联系：笛卡尔分支、圆形分支及相关变换与叠加结构
02从传播机制到性能评估：聚焦不能只看峰值Airyprime光束的传播表现与源场结构密切相关。文章分别讨论笛卡尔光场中的相干强度重分布，以及圆形光场中的环形能量汇聚与突变自聚焦，分析导数阶数、截断参数和源场尺度等因素的作用。
在性能评估方面，综述强调，自聚焦因子描述的是传播峰值相对于初始峰值的增强程度，并不能直接代表聚焦效率或应用效果。更高的峰值增强，也不意味着同时获得更小的焦斑、更长的焦深或更高的能量利用率。
为此，文章将性能比较落实为包含波长、功率、孔径、归一化方式、焦距、焦斑宽度、焦深、效率和不确定度的比较框架，并通过代表性研究表格呈现已有结果与缺失信息。对于自修复，文章也区分了形貌恢复、强度恢复与功能恢复，强调应根据具体观测量判断恢复程度。
03从不同光束名称到共通调控方法：构建光场工程工具箱围绕Airyprime源场，研究者已发展出振幅整形、相位调制、傅里叶空间滤波、涡旋加载、坐标变换、混合包络及相干阵列等多种方法。这些操作能够调节焦点位置、轴向强度分布、旋转行为与多焦点结构，并形成光瓶、光学晶格等丰富图样。
文章按照“控制什么物理量、产生什么可观测变化”组织相关研究，将分散的光束构型归纳为可理解、可组合的调控方法。这样的梳理不仅便于寻找不同工作之间的共性，也有助于识别某种效应究竟来自Airyprime源场本身，还是来自后续加入的相位、滤波或叠加操作。文章同时指出，复杂光场并不天然具有更好的性能。调控方案应服务于明确任务，并结合能量损耗、生成条件及系统复杂度评估其价值。
04复杂环境与多自由度拓展：明确模型预测和实验验证的边界文章系统总结了Airyprime光束在湍流模拟、非线性介质、分数阶传播及外部势场等条件下的研究，并讨论矢量、时空和复合光场等拓展方向。
在复杂环境中，光束能否保留聚焦特征，需要结合具体扰动、传播模型与评价指标判断。例如，实验室中加载单个随机相位屏，并不等同于光束穿越连续分布的大气湍流；焦点仍然可见，也不意味着峰值强度、焦点位置和形貌相似度均保持不变。
类似地，计算得到偏振分量或时空结构，与完整生成并测量相应光场之间仍存在验证环节。综述通过区分理论分析、数值模拟和实验观测，为理解这些方向的进展及下一步实验需求提供依据。
05从光场测量到功能演示：建立L1–L5成熟度框架如何判断Airyprime光束的应用进展，是这篇综述关注的另一重点。文章建立了涵盖理论构想、数值验证、光场实验、实验室功能演示和实用系统的L1–L5五级证据成熟度框架。
该框架针对具体结论或功能进行分级，而不是为整篇论文赋予单一等级。例如，计算光力不能替代观察粒子捕获；测得光瓶结构不能直接证明操控功能；数值计算通信误码率，也不等于完成真实的数据传输实验。
现有研究已在特定实验条件下展示部分Airyprime衍生光场的粒子约束、重排、轨道运动及力学响应测量，并实现了基于衍射图样的特定涡旋参数推断。相比之下，多数通信相关研究及部分高维光场拓展仍主要处于理论、数值或光场验证阶段。这一框架使已有成果与待验证环节更加清晰，也为后续研究提供了可追踪的评价依据。
图3 Airyprime光束的证据成熟度框架及代表性示例：从理论构想到实用系统
06未来展望Airyprime光束走向应用，关键不仅是生成更丰富的光场，还要将光场特征转化为可重复、可量化的任务表现。Airyprime光束研究应加强匹配条件下的性能比较，完整报告功率、孔径、生成效率、测量不确定度及稳定性，提升不同研究之间的可比性。在此基础上，需要推动紧凑化生成与系统集成，并将复杂环境、矢量和时空等方向的模型预测转化为充分的实验验证。
机器学习也为参数预测与光场设计提供了值得探索的途径。未来可进一步结合物理约束、实验反馈和多目标优化，发展面向具体任务的设计方法。但模型预测准确、光场生成成功与自主控制系统建立，仍需分别检验。
面向粒子操控、检测及信息处理等目标，最终还需要在真实约束下开展端到端测试，评估Airyprime方案相对于其他光场的优势及适用范围。
图4 Airyprime光束迈向实用光学平台的研究路线：性能评估、可复现生成与集成、智能控制及系统级验证
总结这篇综述沿着“源场构造—传播机制—光场调控—环境响应—功能验证”的主线，将Airyprime光束领域的多样研究联系起来。文章既总结了导数型光场在聚焦与操控中的研究进展，也通过性能比较和证据成熟度框架，明确了当前成果的适用条件与未来发展需求。
从能够构造怎样的光场，到能够可靠完成什么任务，Airyprime光束的研究正在连接基础物理与功能探索。随着可复现生成、定量测量及系统级验证的推进，其在结构光调控和光–物质相互作用中的价值有望得到进一步发掘。
阅读原文：https://www.sciexplor.com/lma/articles/lma.2026.0021
作者：Ziyuan Liu, Hongfei Gao, Yujia Zheng, Fei Wang, Guoquan Zhou*引用本文：Liu Z, Gao H, Zheng Y, Wang F, Zhou G. Airyprime beams: From concept to applications. Light Manip Appl. 2026;1:202624. https://doi.org/10.70401/lma.2026.0021通讯作者简介
周国泉，光学工程博士后，浙江农林大学二级教授，硕士研究生导师，浙江省“151人才工程”重点资助人员。主要从事光场调控及其应用研究，主持国家自然科学基金面上项目5项等，已在国内外主要学术刊物包括Science, Photonics Research, Communications Physics 上发表论文200余篇，在科学出版社和中国农业出版社出版个人专著4部，授权发明专利20件，获中国商业联合会科学技术奖一等奖1项、中国产学研合作创新成果奖二等奖1项、浙江省自然科学奖二等奖2项等，所在科研团队为浙江省高校高水平创新团队。
王飞，博士，苏州大学教授，博士生导师，现任苏州大学物理科学与技术学院光学与光子学研究所所长，美国迈阿密大学访问学者，江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师。主要从事相干光学、光场调控及光束传输等领域的研究，重点研究光场相干结构、相位、偏振等参量的调控，产生新颖激光光场，研究新型光束在随机介质（如：大气、海水）中的演化特性及其在光学成像、通信等领域中的应用。多年来在Physical Review Letters, Nature Communications, Opto-Electronic Advances, PhotoniX 等学术期刊上发表论文100余篇。
刘子源，博士，浙江农林大学讲师。主要从事结构光场调控及其传播特性研究，重点研究艾里类光束的源场构造、传播动力学与功能应用。以第一/通讯作者在Optics Letters, Optics Express, Optics and Laser Technology等期刊上发表学术论文30余篇，授权发明专利3件，出版学术专著1部。担任Methods and Protocols等期刊青年编委，并担任Optics Letters, Optics Express等期刊审稿人。
关于期刊Light Manipulation and Applications（LMA）是由Science Exploration Press推出的国际英文学术期刊，采用金色开放获取模式，实行严格的同行评议。期刊致力于发表高质量、具有学术影响力的研究，推动光场操控及其应用领域的基础理论突破与技术创新。
LMA由山东师范大学副校长、光场调控中心负责人蔡阳健教授担任主编。期刊聚焦光场操控及其多领域应用，涵盖光学基础物理、结构光生成与调控、光学涡旋与奇异光学、空间–时间结构光、量子光学及超快光学、纳米光学与超表面、成像、全息、通信、光学测量、传感与信息处理等方向，力求为光学与光子学的基础研究与应用开发提供全面、系统的学术交流平台。LMA与山东师范大学建立了官方合作关系，致力于推动国内外光学领域的学术交流与创新发展。
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