一束激光能有多少种"形状"？

合肥工业大学方文坛副教授、高伟清教授团队与澳大利亚皇家墨尔本理工大学贾宝华教授合作，近期给出了一个让同行眼前一亮的答案：84种，而且可以按需随时切换。

这项成果发表于光学领域权威期刊《激光与光子学评论》，核心突破在于首次将数字化空间光场调控能力，从连续激光器拓展到了超快脉冲光纤激光器。

光的"形状"，不是装饰，是武器

普通人对激光的印象，大概是一条细细的红线，又亮又直。但对光学工程师来说，光的空间形态本身就是一种可编程的工具。

结构光，指的是具有特定空间振幅、相位或偏振分布的光场。拉盖尔-高斯光束（LG模）呈甜甜圈状，光场中心有一个相位奇点，携带轨道角动量，可以让微小粒子在光场中"旋转"；厄米-高斯光束（HG模）则是矩形坐标下的高阶横模，光斑呈现出规整的多叶分布，适合特定材料加工和成像；轨道角动量（OAM）光束则因其无限可扩展的模式正交性，被视为下一代光通信容量倍增的重要路径之一。

问题是，要在超快脉冲激光中实现这些模式，并且还能在数十种之间自由切换，一直是领域内的难题。

飞秒、皮秒量级的超快脉冲，意味着每个脉冲的时间窗口极短，光场的时域和空域特性相互耦合，传统连续激光的空间调控方式在这里往往失效。此前，多数研究要么只能产生固定的一两种结构模式，要么通过腔外转换，损耗大、系统笨重、难以扩展。

腔内时空协同：一步走到位

这支团队的解决方案，是把调控"搬进"激光腔里。

研究人员在光纤激光谐振腔内部，引入空间光调制器（SLM）与偏振分束器（PBS）的组合，通过实时更新SLM加载的全息相位图，直接对腔内传播的光场实施时空协同调控。这样一来，激光从"出生"那一刻起就已经是目标结构模式，而非事后补救，效率和模式纯度都得到了根本保证。

实验结果是84种光场模式的按需切换输出，涵盖多阶LG模、HG模以及高纯度OAM光束，模式间切换通过软件实时完成，无需更换任何光学元件。

更值得关注的是光源的工作机制。该激光器运行在噪声类脉冲状态，这是一种特殊的超快脉冲形态，兼具宽光谱和部分时间相干特性。这两点看似是"不完美"，实则是实用化的加分项：宽光谱意味着时域脉冲足够短，可以支持高功率主振荡器放大系统（MOPA）作为种子源，为后端放大链路提供丰富的频谱资源；部分时间相干则为研究部分相干结构光和时空涡旋光提供了难得的可控光源平台。

从系统工程角度来看，整套装置结构紧凑，可扩展性强，模式数量远超同类报道，是目前腔内超快结构光场光源中综合指标最为突出的方案之一。

从实验室走向应用，这条路有多远？

这台激光器的潜在应用空间，横跨好几个快速增长的技术方向。

在激光微纳加工领域，不同结构光模式的强度分布和相位特征，可以定制化地调控材料表面微结构，实现普通高斯光束无法完成的复杂图案加工，对半导体芯片制造和光子集成器件加工具有直接意义。在光学粒子操控方向，轨道角动量光束产生的光力矩，让研究人员得以在微米乃至纳米尺度上"夹持并旋转"生物细胞或纳米颗粒，是生物光镊技术的核心工具。在光通信领域，OAM模式复用技术理论上可将单根光纤的通信容量提升数倍乃至数十倍，而能稳定输出多阶OAM模式的超快光源，正是推进这一路线实用化的关键瓶颈之一。

此外，宽光谱的超快结构光场在非线性光学和先进成像（如超分辨荧光显微）中也有独特优势，部分相干结构光的研究对散斑抑制、自适应光学等应用方向同样具有重要支撑价值。

当然，从实验室原型到工程化产品，还有一段路要走。如何进一步提升脉冲的时域相干性、如何将系统功率扩展到工业应用所需量级、如何在保持模式切换灵活性的同时提升重复稳定性，都是接下来需要持续攻关的方向。但这项工作已经清晰地证明了一件事：超快激光的"形状"，可以被精确编程，也可以被随时重写。这本身，就是一种全新的激光工具能力。