合肥工业大学联合团队实现腔内超快结构光激光器突破84种结构化模式可按需重构

    近日，合肥工业大学物理学院高伟清教授、方文坛副教授团队联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学贾宝华院士团队，在超快结构光激光技术领域取得核心进展。研究团队通过在激光谐振腔内协同集成空间光调制器与偏振分束器，成功研制出一款可按需重构的结构化模式腔内超快光纤激光器，相关成果发表于国际光学期刊《Laser&Photonics Reviews》。

    行业痛点：超快结构光的技术瓶颈
    结构光可通过对光场振幅、相位与偏振态的精准调控，生成具备定制化空间分布的光束，是支撑现代光学与光子学发展的核心技术之一。其中携带轨道角动量的拉盖尔高斯光束是大容量光通信模分复用的关键载体；厄米高斯光束抗光束漂移、抗大气湍流性能突出，适配自由空间光通信场景；拓扑荷相反的拉盖尔高斯光束叠加形成的花瓣状光场，则可显著提升精密传感与计量检测精度。
    当前结构光产生路线主要分为腔外法与腔内法两类：腔外方案依靠外部相位转换器件实现基模到结构光的转换，原理直观但系统集成度低、光学损耗大、能量效率偏低；腔内产生方案结构紧凑、可内置损耗补偿，是更具工程化潜力的技术方向，但受限于腔内器件的模式筛选能力，现有光纤激光系统可稳定激发的空间模式通常不足十种。
    更关键的技术壁垒在于超快脉冲结构光的实现。宽光谱飞秒光束经过相位调制器件时会产生严重的空间色散，难以在不同空间模式下均实现稳定锁模，长期以来，可重构横向模式的飞秒脉冲结构光方案始终缺乏成熟的实验验证。

    技术突破：偏振协同的腔内时空调控架构
    针对上述难题，研究团队提出了偏振分束协同空间调制的全新腔内架构，将空间光调制器与偏振分束器集成于掺铒光纤谐振腔中，结合非线性偏振旋转锁模技术，同步完成光场的时域脉冲整形与空域模式调控。
    该方案的核心创新在于利用偏振特性实现结构光与基模的分离与各司其职：入射光经偏振分束器拆分为两束正交偏振光，垂直偏振分量直接作为结构光输出；平行偏振分量经1/4波片转为圆偏振光后入射空间光调制器，其中平行液晶光轴的分量被相位调制生成结构化光场，正交分量则保持基模状态。最终调制后的结构光直接输出腔外，未调制的基模光耦合回腔内维持激光振荡，从原理上消除了飞秒结构光的空间色散问题。
    为实现高精度的任意结构光复现，团队采用超像素相位振幅联合调制方法，将空间光调制器面板划分为棋盘格结构的超像素单元，通过独立调控单元内双像素的灰度值，同时实现局部光场的振幅与相位控制，高保真生成拉盖尔高斯、厄米高斯及花瓣复合模式等复杂光场。

    实验成果：84种模式、800飞秒脉冲稳定输出
    实验搭建的光纤激光器谐振腔总长度22.89m，包含0.73m自由空间光路与22.16m光纤光路。当泵浦功率达到525mW时，载入对应相位掩模并调节偏振控制器即可实现脉冲结构光输出。
    经测试，系统可稳定输出脉宽约800飞秒的类噪声脉冲，脉冲重复频率为9.09MHz，射频信噪比约40dB，时域锁模状态稳定。通过动态刷新空间光调制器的相位掩模，单台激光器可实现84种差异化结构光模式的按需切换，模式数量较传统时空激光器提升一个数量级：
    拉盖尔高斯光束可覆盖拓扑荷−10~+10的全部轨道角动量态，并可生成数十种花瓣型复合模式；
    厄米高斯光束的径向与角向阶数最高均可达到六阶。
    在最大泵浦功率878mW条件下，OAM+1、OAM+5、OAM+10三种典型模式的平均输出功率分别为18.44mW、17.58mW、16.71mW，单脉冲能量均达到纳焦量级。研究团队同时通过耦合金兹堡朗道方程组完成数值仿真，复现了类噪声脉冲的腔内演化过程，阐明了偏振辅助反馈的锁模机制，实验结果与理论仿真高度吻合。

    应用价值：通用型超快结构光平台
    该研究搭建了一套通用型腔内超快结构光产生平台，可生成的模式数量理论上仅受空间光调制器分辨率限制，仅需更换相位掩模即可实现任意高阶结构光输出。作为一款可快速切换模式的脉冲种子源，该激光器可搭配简易主振荡功率放大结构实现高功率拓展，在激光微纳加工、光微粒操控、高分辨成像、大容量光通信等领域具备广阔应用前景。

    同时，类噪声脉冲自带的部分时域相干特性，也使该系统可作为部分相干结构光源，为可控时空涡旋光束、非线性光学等前沿研究提供全新实验工具。该成果打通了空间光束整形与时域脉冲调控两大技术方向，为下一代自适应超快光子系统的研发奠定了核心技术基础。